基于单片机的液化气检测报警器设计

信息科学与技术学院学士学位论文

JIU JIANG UNIVERSITY

毕 业 论 文

题 目基于单片机的液化气检测报警器设计 英文题目 Based on MCU Liquefid Gas

Detection Alarmdesign

院 系 信息科学与技术学院 专 业 计算机科学与技术

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摘 要

随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭液化气报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的液化气报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的液化气报警器。

液化气全名液化石油气，它的主要成分是丙烷和丁烷，炼厂气、天然气中的轻质烃类在常温、常压下呈气体状态，在加压和降温的条件下，可凝成液体状态。该设计基于51系列单片机为核心，以气敏传感器检测可燃气体的质量浓度，经过信号处理后，直接读入单片机中，单片机对检测的信号进行判断。如果质量浓度超过预定数值时，蜂鸣器将发出声报警，并同时红灯亮，具有声光报警功能，数码管显示浓度。如果检测的信号浓度没有达到预定值，绿灯亮。系统采用交流电源或电池供电。该系统电路操作方便，体积小，成本低，功耗低，等特点。 关键词：液化气，51系列单片机，蜂鸣器

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基于单片机的液化气检测报警器设计

Abstract

Along with the social and economic development, fire prevention work more and more important, but the present many research and development are focused on large place of the fire alarm. We, therefore, it is necessary to develop a simple structure, economic and practical family smog announciator to adapt to the demand of the market. Based on the use of smoke alarm for family should be provided with the basic requirements and function, this article designs a more suitable for smoke alarm.

Liquefied gas full name liquefied petroleum gas (LPG), it is the main component of butane and propane, refinery gas, natural gas of lightweight hydrocarbons in room temperature, atmospheric pressure gaseous, pressure and temperature in the condition, can condensed liquid state. The design is based on 51 series microcontroller as the core, with gas sensor detection of flammable gas mass concentration, after signal processing, directly into single chip microcomputer, the monolithic integrated circuit to signal detection judgment. If the quality concentration more than scheduled value, will be issued a buzzer sound alarm, and at the same time the red light comes on, with sound and light alarm functions, digital pipe display concentration. If the signal detection concentration not to the expected value, a green light. System USES the ac power or batteries. This system, which is convenient operation, small volume, low cost, low power consumption, etc. Characteristics.

Keywords: Liquefied Petroleum Gas (LPG), 51 Microcontroller, Buzzer

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目 录

摘 要 ..................................................... I Abstract ................................................... II 1 绪论

1.1研究背景及意义 ........................................ (1) 1.2可燃气体检测与报警技术概述 ............................ (1) 2 系统的总体方案设计

2.1液化气报警器的工作结构和原理 .......................... (6) 2.2传感器的选择 .......................................... (7) 2.3单片机的选型 ......................................... (12) 2.4液化气报警器的主要功能设计 ........................... (20) 3 系统的硬件电路

3.1 系统电源电路 ........................................ (22) 3.2 AT89S51的时钟电路和复位电路 ......................... (23) 3.3液化气传感器模块 ..................................... (23) 3.4信号采集及前置放大电路 ............................... (25)

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3.5 A/D转换电路 ......................................... (26) 3.6声音报警及消音键电路 ................................. (29) 3.7字符显示电路 ......................................... (31) 4 系统的软件的设计

4.1系统主程序设计及流程图 ............................... (32) 4.2主程序初始化流程图 ................................... (33) 4.3 算法实现及主程序流程图 ............................... (34) 5 系统调试及操作

5.1 软件调试 ............................................ (34) 5.2 硬件调试 ............................................ (34) 结 论 .................................................. (36) 致 谢 .................................................. (39) 参考文献 ................................................ (40) 附录A 基于单片机的液化气报警器程序 ...................... (42)

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1 绪 论

1.1研究背景及意义

随着近代工业的进步，在生活、工业上排放的气体种类、数量日益增多。这些气体如天然气、液化石油气等都是易燃、易爆或对人体有害的。而本设计的研究方向是针对于液化石油气的报警器。液化气报警器作为一种检测液化气泄漏并及时发出声光报警等可预防着火、伤亡的安全装置[1]。

最近网络上又有新闻报道，液化石油气掺入二甲醚成行业潜规则 存爆炸风险，许多的隐患让我深感不安，作为这次的材料选题，也是想为社会的安全方面做出一点贡献，我相信，只要人人都献出一点，世界将变成美好的人间。

对于像液化气、天然气、煤气等可燃性气体的检测、监控和报警的研究可分为两大方向。一方面是从传统的传感器为主要研究对象，通过扩展其外围电路功能，来增强其应用性能。另一方面是利用计算机、单片机与智能传感器相结合[2]。结合高性能，高稳定性和可靠性的芯片，使设计出的产品更便捷小巧，易于操作。

我这次设计的基于单片机液化气报警器，由于本人的知识和水平有限，也由于材料和器材方面的匮乏，所以只能设计一个最简单的具有报警功能的作品了。随着科技的进步与发展，对可燃气体报警器的研究主要集中在智能化与集成化。有基于CAN总线以ARM微处理器为核心的气体报警器，也有基于AT89系列和51系列系列单片机的设计[3]。目前这一领域还有很大的发展空间和许多需要进一步研究的问题。随着以后我对于研究的深入，更高级别的单片机也应该能设计出来。

1.2可燃气体检测与报警技术概述

液化气是液化石油气的简称，是原油在加工提炼汽、柴油过程中产生的蒸馏部分，主要成分是碳氢化合物和氢气，较多含有丙烷、丁烷。它不同于天然气与煤气。因为天然气是自然形成的气体，主要成分是甲烷，此外还含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质[4]。煤气是用煤或焦炭等固体原料经干馏或汽化制得的。其主要成分是一氧化碳、甲烷和氢气等。

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因此，煤气有毒，易于在空气中形成爆炸性混合物。而液化气具有易燃易爆性、汽化性、受热膨胀性、滞留性、带电性、腐蚀性及窒息性等特点。液化气具有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定储存设备简单，供应方式灵活等优势。家用液化气罐可根据需要，调整火力，使用起来既方便又卫生，液化石油气虽然使用方便，但也有不安全的隐患。万一管道漏气或阀门未关严，液化石油气向室内扩散。由于气态的液化气比空气重约1.5倍，当其空气混合物含量达到爆炸极限（1.7%～10%）时，遇到火星或电火花就会发生爆炸[5]。为了提醒人们及时发现液化气是否泄漏，加工厂常向液化气中混入少量有恶臭味的硫醇或硫醚类化合物。

1927年，Oliver W.Johnson发明并提出了一种可燃气体在一个铂丝上催化燃烧机理的便携式可燃气体检测器。即使80多年后的今天，大多数密闭空间检测中用到的检测器仍然采用这种原理，当然已融入了更多的现在技术成分[6]。

随着计算机技术及传感器技术的发展，气体检测技术从原来的单方面应用一些化学反应发展为多方面、多科学交叉应用，在多方面获得了发展。从检测原理上分，目前运用比较多的主要有六种[7]，下面逐一介绍。

（1）利用电阻式气敏元件测量气体浓度。电阻式气敏元件经过一段时间的预热后，其阻值与周围气体浓度有着确定的关系，因此，只需测出运行状态下气敏元件的电阻值，便可推算出当前运行状态下待测气体的浓度。这是气体浓度测量中最常用的传统方法，在实际运用中，一般采用脉冲调制技术，即基于时间的比较方法，它利用标准时基信号，将与被测气体浓度有关的气敏传感器电阻的信息记录下来，转换成相应的模拟信号或数字信号，然后进行处理以达到测量目的。这是本设计的传感器的测量气体浓度的原理。

利用气敏元件测量气体浓度原理简单，操作也比较方便，但存在以下不足[8]： ①由于在检测仪中一般将气敏元件与标准元件组成测量电桥电路，因此电桥电路的非线性会影响测量精度；

②电桥供电电压的大小对测量精度有很大影响；

③检测时还需考虑现场温度、空气扰动等因素，需要串接上补偿电路。所以这种方法主要用在测量精度要求不高的场合。

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当前，利用新的传感器技术测量气体浓度倍受关注。所谓新的传感器技术是指在测量中采用了除电阻元件外的其他新型的传感器，通过传感将待测浓度信号量转换为电路中的电信号，再通过A/D转换电路等对电信号进行分析处理，根据传感器的特性参数和相应的经验公式推算出气体浓度的当前值，这种检测技术在实际中应用广泛，并常被穿插在其他检测技术中[9]。近年来出现了一些新型固态气敏传感器，主要有：氧化物半导体传感器、有机高聚物半导体传感器、声表面波传感器和固态电解质传感器等。例如：利用固态电解质构成电化学电池来测量其电极电位的变化或由于电极反应所产生的电流值，就可以达到测量气体浓度的目的。

（2）超声波技术测量气体浓度。超声波在某种气体中的传播速度V与当前气体温度T和气体性质有一定的关系[10]。超声技术就是利用了这种关系，通过测量超声波在气体中的传播速度V以及当前气体温度T，推算出该气体的大概浓度。如果需要测出气体浓度的具体值，可以通过实验推算出V，T与气体浓度的对应关系。由分析和实验可知气体浓度S与声速V，气体温度T间呈非线性二元函数关系，通过对不同浓度的某种特定气体（如氨气）做精确测量，并利用计算机对实测数据采用最小二乘法作统计处理和进行曲线拟合，便可以得到多项式回归方程

s?T,V??A0?T??A1?T?v?A2?T?v （1.1）

2式（1.1）中，系数A0、A1和A2由计算机解出，它们均为温度T的函数，如式（1.2）

23 A （1.2） ?b?bT?bT1013当对测量精度要求不是很严格时，式（1.1）可简化为线性方程，式（1.2）也可简化为T的二次方程。这对简化编程，提高运算速度很有帮助。

（3）气相色谱法测量气体浓度。气相色谱法是基于不同的气体在通过色谱柱时速度不同的原理，主要适用于工厂生产现场的检测、设备检修过程中动力作业的安全检测

[11]

。该方法对混合气体进行多次采样，注入色谱仪直至色谱峰值全部出现后

再进行色谱分析，很多地方也称其为光谱测量法。不同浓度的混合气体的色谱存在明显差异，根据当前呈现的色谱便能分析出当前气体浓度的高低。在气体浓度检测中占有很重要的地位，但在测量中必须合理地选择色谱柱及载气流速等参数，只只

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有进行多次重复试验后方能获得理想的测量效果。

（4）载体催化燃烧法检测气体浓度。这种检测方法线性和稳定性较好。以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气体浓度所呈现的爆炸危险度，而且量程符合工业要求，故常被用于爆炸危险场所可燃性气体的测爆[12]。该检测方法以载体型气敏元件作为浓度的传感器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体后，再涂覆催化活性物（Ph、Pd等）构成。当铂丝中通工作电流使之达到临界反应温度（320～350℃）时，可燃气就在元件表面催化燃烧，铂丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量△R与可燃气体一般将催化元件（检知元件）及与之配对的参比元件组成电桥，作为浓度信号采样单元。由于催化元件的气敏特性除了与可燃气体浓度有关之外好受到工作电流、环境的温度和湿度、气压的影响，所以在设计过程中应采用桥式单元或其他参比元件对其余与补偿。

（5）示踪气体浓度衰减法测量气体浓度。示踪气体检测法是向被测空间中注入一定量的示踪气体，如CO2等，通风（包括自然通风）后使示踪气体的浓度得到稀释，通过测出示踪气体浓度的变化，间接地求出通风量和空气龄[13]。该方法基于示踪气体质量守恒方程，常用于研究单一建筑物渗透通风的特性。利用示踪气体测量建筑物渗透通风特性在国外已有大约四十年的历史，并且发展出了各种不同的测量方法。在此所应用的示踪气体应具有可测、稳定（一般情况下不与空气及其他物质发生化学反应）、无毒的特性，并且在空气中含量较少。针对不同的研究目的，示踪气体法可以应用在不同的研究领域。

（6）光干涉法测量气体浓度。光干涉法是一种创新的检测方法，它基于同一光源发出的光波会被平面镜分为两束光，经不同路线后又汇集成一束光，发生光干涉，产生干涉条纹的物理现象[14]。光干涉式气体浓度测定器目前被广泛应用与煤矿井下空气中的甲烷、瓦斯等浓度，以及其他环境下各种气体浓度的测定；在实验室也往往采用这种测定仪器作为相对参考的仪器。用该方法测定气体浓度时，必须考虑到气体的温度、压力、含量、换算结果，以及光在该气体中的折射率等问题。

检测环境的多样化增加了气体浓度检测仪器开发的难度。气体浓度检测技术在应用中还 需要考虑很多额外的因素，国内外对其的研究虽多，有的甚至开发出了一

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定的成型装置，但是各种方法都有一定的缺陷，在本文中，根据测量环境及技术要求，采用了半导体式气敏元件法来检测气体浓度。

目前世界上可燃气体报警器的产品规格有300到400种。可燃气体检测设备从仪器结构上可检测方法上可分为便携式、袖珍式和固定式3类[15]。便携式检测仪器主要为泵吸式。泵吸式仪器一般带有较长的取样管，可用于危险作业场所（如管道、小水道、船舱、气罐等）对未知浓度的有害易燃易爆气体进行检测，适用于检测人员定期进行安全检测和日常检测；袖珍式仪器的检测方法主要以扩散法为主，适合于在危险作业环境中安全人员随身携带使用，由单一性和复合性两种；固定式检测仪器用于实施在线检测，安装与可能产生危险事故的现场，实现实时检测报警，检测方法通常以扩散法为主。

在许多野外或临时的危险场所采用单一的测试手段已不能满足安全需要，往往先进行泵吸法测试，然后再用其他方法对作业环境实行检测。目前国外已经出现了能将扩散法与泵吸法融为一体的检测仪器，采用一机分体多探头结构增加传感器的失效判断和实用功能，大大方便了用户。

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2 系统的总体方案设计

2.1液化气报警器的工作结构和原理

液化气报警器是能够检测环境中的液化气浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成[16]。

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆液化气安全性要求，基于本次只是一次实验性测试，不用于商业或其他方面的用途，所以设计的液化气报警器只具有报警状态、。报警器采用延时的工作方式，液化气检测报警器以AT89S51单片机为控制核心，选用MQ-N5半导体有机气体传感器采集液化气浓度信息，配合外围电路构成液化气报警系统。报警器系统结构如图2-1所示。 有 机 气 体 传 感 器 放大电路 A/ D 转 换 单 片 机 LED状态指示灯 蜂鸣器 数码管显示 图2-1 液化气报警器系统结构框图

该系统的工作由气体信号采集及放大电路将采集到的液化气浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。

设计中为了方便检测，系统采用蜂鸣器声音报警或者还有LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，

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响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向液化气传感器持续输出一个5V的电压。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

2.2 传感器的选择

2.2.1有机气体传感器的介绍

有机气体传感器是模拟传感器[17]。它能将空气中的有机气体或一氧化碳浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。有机气体传感器就是通过监测环境中有机气体或一氧化碳的浓度来实现火灾防范的。当有机探头碰到有机气体或一氧化碳，有机探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。有机气体传感器利用有机气体敏感元件的电阻受有机气体（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送有机气体浓度相应的模拟信号。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得有机气体探测器的体积也逐渐变小，提高了有机气体探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，有机气体传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

在国内的产品中，无论哪家生产的有机气体探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的有机气体探测器感到不知所措。而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。

（1）有机气体传感器的分类[18]

从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。 （2）有机气体传感器应满足的基本条件

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一个有机气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的有机气体传感器都必须具备以下条件：

①能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； ②对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度； ③对检测信号响应速度快，重复性好； ④长期工作稳定性好； ⑤使用寿命长；

⑥制造成本低，使用与维护方便。

（3）常见的有机气体探测器种类及工作原理

为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体一氧化碳进行检测。但是，由于有机气体的种类繁多，一种类型的有机气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性气体，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的气体传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的液化气传感器进行介绍[19]。

（1）半导体气体传感器（半导体气敏传感器）

半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体气体传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当MOS场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。

自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、

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输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。

（2）接触燃烧式传感器

当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。这无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

（3）电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。即液化气浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

（4）高分子气体传感器

利用高分子气敏元件制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏元件在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏元件由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性液化气和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。

（5）红外吸收型传感器

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红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。

由于不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂气体和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标气体的影响。

（6）离子感烟传感器

离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的气体气溶胶检测非常有效，可测气体粒径范围为0.03um-10um。它在内外电离室里面有放射源镅241。由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。当火灾发生时，气体粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到气体粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将气体粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。

（7）光电式感烟传感器

光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有液化气从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的液化气进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

根据报警器检测气体种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体气体传感

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器。经过对比众多气体传感器的应用特性，发现半导体气体传感器的优点更加突出。半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的气体传感器选用MQ-N5半导体气体传感器。 2.2.2 MQ-N5半导体气体传感器

本设计采用MQ-N5半导体气体传感器，MQ-N5半导体气体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[20]。该传感器具备一般半导体气体传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。

二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件特点：

（1）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

（2）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。

（3）SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。 MQ-N5气敏元件的结构和外形由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流[21]。

MQ-N5半导体气体传感器适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、液化气等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，

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非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表2-1所示。

表2-1 MQ-N5的技术指标

加热电压（Vh） 回路电压（Vc） 负载电阴（Rl） 清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg） 响应时间(trec) 恢复时间(trec) 元件功耗 检测范围 使用寿命

AC或DC 5±0.2V 最大DC 24V 2KΩ ≤2000 KΩ ≥4(在1000ppmC4H10中) ≤10S ≤30S ≤0.7W 50—10000ppm 2年 由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常气体传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ-N5半导体气体液化气传感器要想把采集到的气体浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。

设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。因此，MQ-N5气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。

2.3单片机的选型

单片机是气体自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的气体浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积[22]。

单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。由于其微

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小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，本设计考虑了其中两种方案[23]。

方案一：采用PIC系列单片机

PIC(Peripheral Interface Controller)是外设接口控制器的简称，它是由美国Microchip公司开发的嵌入式控制器(Embedded Controller)。嵌入式控制器国内习惯称为单片机。PIC是一种采用精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)结构、哈佛总线结构、2级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强等特点，体现了单片机发展的一种新趋势。

PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。PIC单片机的特点：

（1）哈佛总线结构。PIC系列单片机不仅采用哈佛体系结构，而且还采用哈佛总线结构。在PIC系列单片机中采用的这种哈佛总线结构（与其相对的是冯.诺依曼结构），就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。便于实现指令提取的“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指令操作，便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。

（2）精简指令集(RISC)技术。精简指令集是采用RICS结构的单片机，数据线和指令线分离。即所谓的哈佛结构。这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。

（3）寻址方式简单。PIC系列单片机只有4种寻址方式（寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址），容易掌握。

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（4）功耗低。PIC系列单片机的功率消耗极低，是目前世界上功耗最低的单片机品种之一。其中有些型号，在4MHZ时钟频率下工作时电流不超过2mA，在睡眠模式下的电流可以低到1μA以下。

（5）驱动能力强。

（6）I2C和SPI串行总线端口。 （7）外接电路简洁。 （8）开发方便。

（9）程序存储器版本齐全。 （10）品种丰富。 （11）程序保密性强。

PIC系列单片机与MCS—51系列的区别如下[24]：

MCS—51是许多人熟悉的单片机之一。PIC系列单片机与MCS—51系列单片机的组成及结构存在一定区别。其主要区别在于总线结构、流水线结构、寄存器组及基本特性方面。

（1）总线结构。MCS—51的总线结构是冯.诺依曼型，该系列单片机在同一个存储空间取指令和数据，两者不能同时进行；而PIC的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间是完全分开的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列单片机中采用了哈佛总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是，程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但指令总线位数依基本型（PIC12CXX/16C5X）、中级型（PIC16C6X/16C7X/16F87X）、高级型（PIC17CXX/18CXX）分别为12、14、16位。

（2）流水线结构。MCS—51的取指令和执行采用单指令流水线结构，即取一条指令，执行完成后再取下一条指令；而PIC的取指令和执行采用双指令流水线结构，当一条指令被执行时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了单周期指令。

（3）寄存器组。PIC的所有寄存器，包括I/O口、定时器及程序计数器等都采用RAM结构形式，而且都需要一个指令周期就可以完成访问和操作；而MCS—51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。

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（4）基本特性。PIC具有高性能精简指令集计算机CPU，只需学会35条单字指令；而MCS—51需要111条指令。

PIC多达8K×14字节可重复多次写入的闪速FLASH程序存储器、多达368×8字节数据存储器（RAM）、多达256×8字节E2PROM数据存储器；而MCS—51有4千字节EPROM，128字节RAM。

PIC终端源多达14个；而MCS—51有中断源5个。

PIC有3个定时器，定时器Timer0：带有8位预分频器的8位定时器/计数器。定时器Timer1：带有预分频器的16位定时器/计数器，在休眠期间外部晶振/时钟可以工作。定时器Timer2：带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器；而MCS—51有2个16位定时器/计数器（Timer/Counter）。

PIC有两个捕获（Capture）、比较（Compare）、脉冲宽度调制PWM模式、10位多通道A/D转换器、带有SPITM（主模式）和I2CTM（主/从）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port）、带有9位地址检测的通用同步异步接收发送器USART（USART/SCI）、8位宽并行从属端口（Parallel Slave Port，PSP）、有节电锁定复位（Brown-Out Reset，BOR）的节电检测电路等；而MCS—51没有。

Microchip可提供的PIC单片机系列，按其指令的位数可分为3类：初级产品、中级产品和高级产品，每种产品包含多种型号。

初级产品——8位指令系列（PIC16C5XX/PIC12C5XX）其中PIC16C5X是最早发展的系列。适用于各种对成本要求严格的嵌入式控制。而PIC12C5XX是第一个8脚低价单片机，其小巧，应用前景广阔。

中级产品——12位指令字系列（PIC12C6XX/PIC16C/FXXX），它是品种最丰富的系列。它在PIC16C5X的基础上进行了很多改进，并保持很高的兼容性。从8脚到68脚各种形式的封装，PIC12C6XX/16CXXX可应用于各种高、中、低档电子产品设计中。它的特点是保持低价格的前提下具有很高的性能，如带A/D、内部EEPROM数据存储器、双时钟工作、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信（USART）、模拟电压比较器及LCD驱动等，已被广泛引用在各种电子产品中，且表现极佳。

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高级产品——16位指令字系列（PIC17CXXX和PIC18CXXX/FXXX）是8位单片机中运行速度最快的，它具备一个指令周期内（最短160ns）完成8位二进制乘法运算的能力，可以在一些需要高速数字运算的应用场合中取代DSP（数字信号处理器）。再加上PIC17CXXX还具有丰富的I/O控制功能，并可以外接扩展EPROM和RAM，使它成为目前8位单片机中性能最高的机种之一，被广泛应用于高、中档电子设备中。

PIC系列单片机所有型号都有商用级（0～70℃）、工业级（-40～85℃）和汽车工业级（-40～125℃）芯片，可以适应各种环境温度。

PIC处理器具有不同于一般微处理器的许多特性，它给出最大系统可靠性，通过减少外部元件使成本最少。另外，还提供节电工作模式及提供编码保护等。

CPU的特殊性能包括： （1）振荡器OSC可选择。

（2）复位Reset功能丰富有上电复位（POR）、电源上升定时器（PWRT）振荡器开启定时器（OST）节电复位（BOR）。

（3）中断源多。

（4）具有看门狗定时器（WDT）。 （5）具有睡眠（SLEEP）功能。 （6）具有编码保护功能。 （7）具有标识ID码存储单元。 （8）能在线串行编程。 （9）能低电压编程。 （10）能在线调试。

PIC器件有一个看门狗定时器，它可以单独通过组态位关闭。为增加可靠性，它可以打开自己的RC振荡器。它还有两个定时器在电压的上升沿时刻提供必要的延时，一个是振荡器启动定时器OST，它将保持振荡器在复位状态直到晶体振荡器稳定。另一个是电源上升定时器PWRT，仅在电源上升中提供一个72ms的固定延迟。在复位中的这些设计使电源更加稳定。由于芯片中存在这两个定时器，在很多的应

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用中不需要外部复位电路。

睡眠（SLEEP）模式提供一个小电流降压模式设计。通过外部复位，用户可以把CPU从睡眠中唤醒，也可以通过看门狗定时器或通过中断唤醒。为配合这些应用，几种振荡器可供选择。选择RC振荡器节约系统成本，选择LP晶体节电。组态位设置用来决定各种选择。

PIC16F87X可以在4种不同的振荡器模式中选择，用户可编程两个组态位(FOSC1和FOSC0)选择这4种模式之一：

（1）LP：低电源晶体； （2）XT：晶体/谐振器； （3）HS 高速晶体/谐振器； （4）RC：电阻器/电容器。 方案二：采用51系列单片机

在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。其中，51系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用AT89C51。

（1）AT89C51功能特性概述[25]

目前市面上使用的比较普遍的51系列单片机是AT89C51。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。其主要性能参数如下：

① 与MCS-51产品指令系统完全兼容 ② 4k字节可重擦写Flash闪速存储器

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③ 1000次擦写周期

④ 全静态操作：0Hz－24MHz ⑤ 三级加密程序存储器 ⑥ 128×8字节内部RAM ⑦ 32个可编程I／O口线 ⑧ 2个16位定时／计数器 ⑨ 6个中断源

⑩可编程串行UART通道

AT89C51单片机的引脚排列图如图2-2所示。

图2-2 AT89C51的引脚排列图

AT89C51单片机提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I／O 口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

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AT89C51单片机内部由许多元器件构成，通过上面的介绍我们可以知道，时钟源和震荡与定时电路是不可少的，而且这两个组合相互关系，再接着就是主要的核心部分CPU，CPU通过处理两个中断信号来工作，这两个信号分别是外部中断信号和内部中断信号，CPU通过系统总线与内存和端口进行交流，我们这里有128BSFR，128BRAM和4KBROM，还有两个16位定时计数器，他们都通过系统总线与CPU交流数据，总线控制控制相应的控制信号，再加上不可缺少的并行端口和串行端口。这就是整个AT89C51单片机的基本组成部分。

AT89C51的基本组成部分图如图2-3所示。 时钟源 T0 T1 震荡与定时电路 128B SFR 128B RAM 4KB ROM 两个16位定时 计数器 CPU 中外部 断信号

内部中断信号 总线控制 控制信号 系 统 总 线 并行端口 P0 P1 P2 P3 串行端口 TXD 图2-3 AT89C51单片机的基本组成图

（2）AT89C51的内存空间[26]

①内部程序存储器（FLASH）4K 字节。 ②外部程序存储器（ROM）64K 字节。 ③内部数据存储器（RAM）256 字节。

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④外部数据存储器（RAM）64K 字节。

里面还包括程序存储器的6个特殊地址，如表2-2所示。

表2-2 程序存储器的6个特殊地址

0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H

上电或复位入口地址 外部中断0入口地址 定时器T0中断入口地址 外部中断1入口地址 定时器T1中断入口地址 串口中断入口地址 在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。AT89C51单片机的存储器结构如图2-4所示。

外部ROM FFFFH FFFFH 1000H （64KB） /EA=0/1 FFH 外部RAM 特殊功能寄存器（21个SFR） 80H 内部外部 ROM 0FFFH ROM （4KB）（4KB） 7FH 内部/EA=1 128ByteRAM /EA=0 0000H 00H 0000H 图2-4 AT89C51的存储器结构

（64KB） 2.4液化气报警器的主要功能设计

报警器正常工作时，传感器送来的气体浓度对应的微小的电压信号经过放大电路放大，转化成较大的模拟电压信号后送入A/D转换器，然后再送给AT89C51单片机处理。

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当单片机检测到输入ADC0809的放大信号不为零时，系统启动报警。报警时，LED红灯点亮并持续闪烁60min，数码管显示气体浓度，蜂鸣器启动并持续鸣叫60min，报警系统只能启动声光报警功能而无法进行灭火动作。反之，报警器不发出警报，LED状态指示灯绿灯常亮且不闪烁，数码管不显示字符，蜂鸣器不发出声响。

为了区别正常的工作的报警，在误报警和不正常的工作状态警报时，蜂鸣器声音报警持续30min，以提醒用户检查传感器或者电路连线情况，及时排除故障，保证安全。另外，系统还设有一个消音功能的按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下按键（消音键）停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。

上述中的声光警报能够根据气体传感器所检测到的气体浓度的信号变化，随单片机控制电路及时的做出相应调整而改变。

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3 系统的硬件电路

3.1 系统电源电路

任何电子设备都需要稳定的直流电源供电，直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的设备。一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。其组成方框图如图3-1所示。

交流变整流电路 滤波电路 稳压电路 交流电源 负载 压器 图3-1 直流稳压电源组成方框图

电源变压器的作用是，改变电网的交流电压的大小，将220V、50Hz的市电进行降压，使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单向导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，再利用电容储能元件组成的滤波电路，将脉动大的直流电压处理成平滑的脉动小的直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器W7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以此作为系统各个部分电路的电源。以下是一般设计所采用的电源电路图，本设计为了简便起见，电源就直接用五伏电源代替。

系统里面的电源将交流电源通过交流变压器变换成整流电路，因为日常的电压220V太过高了，本设计所需要的电压仅仅5V就够了，所以先通过变压器改变电压，由于转变后还有一部分从整流电路中以脉动交流电压，通过滤波电路处理过滤掉就安全了，为了让电压更加的稳定平和，所以再加上个稳压电路以防万一，仅仅一个小的故障就可以导致AT89C51单片机的烧毁，对于整个电源的选择一定要慎重，不可掉以轻心。

通过介绍我们了解到了系统电源的大概元器件构成，下面是系统电源的电路图如图3-2所示。

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12VIC6240R15VOUTINGNDW780532５ＶJ121CON2～220 V18～9VBRIDGET43C41000uFDzC50.33uFC60.1uF

图3-2系统电源电路图

3.2 AT89S51的时钟电路和复位电路

（1）时钟电路：

AT89S51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。 （2）复位电路：

单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。

任何单片机在工作之前都要进行复位，复位对单片机来说就像计算机的重新启动，是在做一些准备工作。一般来说，AT89C51单片机的复位时间为5ms。只要将AT89C51单片机的RST引脚上加负脉冲就完成了复位，前提是加高电平的时间要大于5ms。单片机AT89C51的上电复位是当检测到VDD上升时（1.2～1.7V范围），片上上电复位脉冲产生。为了获得POR的优越性，只要把MCLR引脚直接（或通过电阻）连接到VDD。这将简化要形成一个上电复位所需的外部RC元件。

时钟电路和复位电路的电路图如图3-3所示。

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X130pFC2C1X230pFS15VY12MHz手动复位R13470Ω+C322uFRESETR141KΩ 图3-3 时钟电路和复位电路图

3.3液化气传感器模块

本设计采用的液化气传感器模块主要由MQ-N5气体传感器、LM393芯片构成。工作电压：直流5伏具有以下特点：

（1）具有信号输出指示。

（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）

（3）TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）

（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。 （5）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。 （6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 （7）快速的响应恢复特性

适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等监测装置。

由于液化气传感器MQ-N5不能自行人工设计，本人目前还不具备这样的能力，

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所以只好从实物店购买一个来，购买的MQ-N5传感器功能稳定，性价比不错，里面还自带放大电路，液化气传感器的木块实物图如图3-4所示。

图3-4 液化气传感器模块实物图

3.4信号采集及前置放大电路

在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。

设计中采用LM393作为电路的运算放大器。LM393是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM393的静态功耗小、价格低廉，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。

IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM393的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出电压Vo通过电阻R22接到反相输入端，由此组成差分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。信号采集及前置放大电路的电路图如果3-5所示。

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图3-5 信号采集及前置放大电路图

设计中采用的信号放大电路有以下几个特点：

（1）由于电路不存在“虚地”现象，所以其两个输入端都有较高的共模输入电压，这对放大电路的稳定性和运算的精度都有影响。

（2）电电路中IC2A构成了的“电压跟随器”可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。用来匹配阻抗用的，防止滑动变阻器输出电压受到影响。

（3）由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。

由于放大电路还增加入了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便地调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压Uo与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调节滑动变阻器Rp2，就可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以在可燃气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同气体浓度的测量。

3.5 A/D转换电路

在高精度的数字测量及输出电路中，A/D 或 D/A 转换器的精度都依赖于它的

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基准参考电压，基准源是一类专用的芯片。选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是：初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪音等。

早期的稳压器件是齐纳二极管，尽管它在电路中可以作为稳压器件使用，但是要作为系统的基准源还是不行的，原因是它的温漂系数过大，达到2mV/℃，同时它的负载调整率也很差。通过一些补偿的方法，早期的设计人员还是设计出了一些齐纳式基准，比如国产的2DW7就是采用了双齐纳管反相串联的补偿方法，用硅二极管的正向-2mV/℃的温漂和齐纳击穿的正温漂进行补偿。还有NSC的LM393，是采用了90℃温度稳定的方法来设计基准源，

ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809的转换速度较快，完成一次的转换时间为100μs左右，可对0-5V的模拟信号进行转换。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

ADC0809的主要引脚功能如下。

（1）IN0～IN7是8路模拟信号输入端。D0～ D7是8位数字量输出端。 （2）A,B,C分别是ALE控制8路模拟通道切换，A,B,C分别与三根地址线或数字线相连，三者编码对应8个通道地址口。C,B,A=000～111分别对应IN0～IN7通道地址。

（3）OE,START,CLK,EOC为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号端，CLOCK为时钟信号输入端, EOC为转换结束信号端。

（4）Vref(+)和Vref(-)为参考电压输入端。

ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。ADC0809引脚图和内部逻辑结构图如图3-6所示。

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图3-6 ADC0809引脚图和内部逻辑结构图

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。设计中采用中断方式进行数据传送。

扩展中地址锁存器使用74LS373。74LS373是八D锁存器，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。其主要特点在于：控制端G为高电平时，输出Q0～Q7跟随输入信号D0～D7的状态;G下跳沿时，D0～D7的状态被锁存在Q0～Q7上。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1/6。由于单片机频率采用6MHz,则ALE脚的输出频率为1MHz，在经二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。

在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连，以选通IN0～IN7中的一路。将P2.7（地址总线A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生的

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正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EOC经反向后送到单片机的/INT0引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送P1端口显示。

ADC0809与单片机的接口电路图如图3-7所示。 液化气报警器模块U42627281234567910111216IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCOUTPUT ENABLECLOCKVCCVREF(+)VREF(-)ADC0809ADD AADD BADD CALE2 -1MSB2 -22 -32 -42 -52 -62 -72 -8LSBGND2524232221P0020P0119P0218P038P0415P0514P0617P0713 图3-7 ADC0809与单片机的接口电路图

3.6声音报警及消音键电路

电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器 HC-12075-B其参数特点如下：

额定电压：1.5V

额定电流：=<10mA～=<70Ma 声压电平：>=75～>=85 谐振频率：2048Hz 线圈电阻：6.5±1Ω～60±2Ω 重 量 ：1.5g

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系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。

声音报警电路图如图3-8所示。

5V蜂鸣器R8C8550PNP47KP2.3 图3-8 声音报警电路图

消音按键电路图如图3-9所示。

5VR12470ΩP1.7S2消音按键 图3-9 消音按键连接电路图

3.7字符显示电路

报警器浓度等级显示采用一个八段共阴极数码管显示。由于不显示小数点，所以不接dp段。其参数特点如下:

大 小 : 0.8寸 显示方式：静态显示

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显示颜色：红色 显示位数： 1位

数码管字符显示电路图如图3-10所示。

P10P11P12P13P14P15P16R7470 图3-10 数码管字符显示电路图

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基于单片机的液化气检测报警器设计

4 系统的软件的设计

4.1系统主程序设计及流程图

主程序流程图如下图所示。首先要给传感器预热，因为MQ-N5型半导体电阻式气体传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集气体信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热，预热同时，对传感器进行故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 主程序硬件电路图如图4-1所示。

BUZ1BUZZERP2.7R61kQ1PNPC1U110p191P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728P00P01P02P03P04P05P06P0723456789XTAL1RP1X1CRYSTAL18C210pXTAL2D1P3.4P3.5RESPACK-8D29R3R410k10kRSTC310p293031PSENALEEAR110k液化气报警器模块P2.72627281234567910111216U4IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCOUTPUT ENABLECLOCKVCCVREF(+)VREF(-)ADC0809ADD AADD BADD CALE2 -1MSB2 -22 -32 -42 -52 -62 -72 -8LSBGND2524232221P0020P0119P0218P038P0415P0514P0617P071312345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C511011121314P3.415P3.51617R7200R210k

图4-1 主程序硬件电路图

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在整个报警器系统工作中，AT89C51单片机对传感器检测的气体浓度信号进行信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警。主程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、消音按键功能、安全联动装置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

4.2主程序初始化流程图

主程序初始化流程图。给传感器预热后，程序开始执行初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定、 寄存器初始化、中断使能等。主程序初始化流程图如图4-2所示。

开始 设置定时器0，选择方式1 允许定时器中断0 点亮绿灯，熄灭红灯 关闭蜂鸣器 关闭安全联动装置 熄灭数码管 结束 图4-2 主程序初始化流程图

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基于单片机的液化气检测报警器设计

4.3 算法实现以及主程序流程图

由传感器曲线和放大器增益计算得到的斜率一般为小数，而浮点计算程序比较复杂，所以可以将斜率和采样数据同时放大1000倍，将浮点计算转换为定点计算。程序中包含定点乘法、定点除法、减法及二进制码转化为BCD码等一些常用算法。其主程序流程图如图4-3所示。

开始

初始化 信号采集 A/D转换 数码管 显示 N 有液化气否 Y 报警子程序 报警处理

图4-3 主流程图

液化气中主要气体成分为丙烷。通过查阅资料知丙烷相对蒸汽密度（空气=1）为1.56；爆炸下限为2.0%，上限为9.5%。通常丙烷在空气中含量为1%时不会对人体造成伤害，当浓度接近10%时会引起头晕。可实际中液化气的爆炸极限为1.7%~10%。同时

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对于易燃易爆气体，报警浓度一般选定其爆炸下限的1/10，则将液化气报警器的报警浓度设为0.2%，即报警值设为0.2%×1000=2。因此，参看空气中各气体含量得此设计中零点值（丙烷、丁烷等气体在空气中平均含量极低，大致为0.003%）为：

0.003%×1000=0.03。

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5 系统调试及操作

5.1 软件调试

本次设计的软件设计采用的是Keil C51软件，Keil C51是美国Keil C51 Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

调试步骤：

（1）建立工程文件：点击“Project-New Project”菜单，出现以个对话框，要求给工程起一个名字，我们输入examl1,不需要扩展名，点击保存按钮，出现第二个对话框。这个对话框要求选择目标CPU（即我们所使用的芯片型号89C51）点击ATMEL前面的“+”号，展开该层，点击其中的89C51，然后点击确定按钮。

（2）源文件的建立：使用菜单“File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入C语言源程序。保存该文件，加上扩展名（.c）。

（3）源程序加入：点击“Souce Group”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单。选中其中的“Add file to Group”Souce Group1”，对话框，要求寻找源文件，找到源文件双击，就将其加入到了工程中。

（4）编译、连接：在设置好工程后，就可以进行编译、连接。选择菜单Project-Build target,对当前工程进行连接，如果当前文件已修改软件会先对该文件进行编译，然后在连接以产生目标代码。编译过程中的信息将出现在输出窗口中的Build页中，如果源程序有语法错误，会有错误报告出现，双击该行，可以定到出错的位置，对源程序反复修改后，就可获得了.hex的文件，该文件即可被编程器读入并写到芯片中，同时还产生了一些其他相关文件可被用于KEIL的仿真与调试。

5.2硬件调试

通过软件调试，成功编译出了.HEX文件。然后将.HEX文件下载到目标单片机上，进行调试。

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调试过程：

接通电源，先让液化气报警器预热30秒，此时数码管显示0，然后用打火机放些液化气靠近液化气传感器。可以通过数码管看到浓度变化，当浓度大于2时，蜂鸣器报警，红灯亮，移走打火机，过段时间看见数码管上显示数字从2变到1，绿灯亮，蜂鸣器熄灭，多重复几次，看到相同的结果。表示本次设计硬件工作正常，没有出现问题。

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基于单片机的液化气检测报警器设计

结 论

本设计所设计的是基于51系列单片机的液化气检测报警器，它可以实现实时检测、监督和报警的功能。

本文首先讨论了可燃气体检测技术的现状，并阐明了论文选题的意义和主要工作，并且对当前几种气体检测方法进行了对比。其次，本文根据设计要求，详细分析了系统的数据采集、处理和显示报警三大部分。本文选用的MQ-N5气体传感器经过LM393运算放大器放大信号传送到单片机中进行数据处理，根据与设定报警浓度值相比较点亮相应的发光二极管并能通过数码管显示具体数值。当液化气浓度达到报警值时由单片机给蜂鸣器一个信号，经过三极管放大，发出报警声响。

在软件方面，由于本设计采用的是51系列系列单片机因为其在软件方面有很强的功能。与此同时，分别设计了键盘电路和显示电路的软件部分，确定了传感器的线性模型。

本文设计的气体报警器有以下的特点：微处理器采用了高性能、低功耗，适用于电池供电的51系列单片机。同时，由于其强大的功能简化了硬件电路设计部分。

鉴于本人经验不足对51系列单片机知识不熟悉加之时间有限，系统分析和设计还不够深入，不能进行仿真。此外，对于如何扩展功能如报警时采取一定措施降低液化气在空气中的浓度等方面还需要在今后学习中进一步研究和探讨。

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致 谢

本研究及学位论文是在我的导师朱顺文老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，朱顺文老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。半年多来，朱顺文老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向朱顺文老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的三十一栋318各位兄弟，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

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基于单片机的液化气检测报警器设计

参考文献

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基于单片机的液化气检测报警器设计

附录A 基于单片机的液化气报警器程序

/**************************************** 基于单片机的液化气报警器部分程序 BY:聂枫 2012

******************************************/

#include //头文件

#define uchar unsigned char //宏定义无符号字符型 #define uint unsigned int //宏定义无符号整型 //sbit LED1=P3^3; sbit LED1=P3^4; sbit LED2=P3^5; sbit fmq=P2^7;

sbit ST=P3^0; //A/D启动转换信号 sbit OE=P3^1; //数据输出允许信号 sbit EOC=P3^2; //A/D转换结束信号 sbit CLK=P3^3; //时钟脉冲 uint z,x,AD0809, date; //定义数据类型 //int z;

unsigned char leddata[]={

0x77, //\ 0x41, //\ 0x3B, //\ 0x6B, //\ 0x4D, //\ 0x6E, //\ 0x7E, //\ 0x43, //\ 0x7F, //\

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//显示段码 数码管字根

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0x6F, //\ 0x5F, //\ 0x7C, //\ 0x36, //\ 0x79, //\ 0x3E, //\ 0x1E, //\ 0x5D, //\ 0x34, //\ 0x57, //\ 0x75, //\ 0x1F, //\ 0x78, //\ 0x08, //\ 0x00, //熄灭 0x00 //自定义

};

/****************************************************************** 延时程序

******************************************************************/ void delay(uchar t) {

uchar i,j; for(i=0;i

for(j=13;j>0;j--); { ; } }

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基于单片机的液化气检测报警器设计

} //,,,

void delay2(uchar t) {

uchar i,j,z; for(i=0;i

for(j=10;j>0;j--) {

for(z=100;z>0;z--) ; } } }

//数码管显示 void disply() {

//uchar X; z=date/500; P1=leddata[z]; }

/*********************************************************************

CLK振荡信号

*********************************************************************/

void timer0( ) interrupt 1 //定时器0工作方式1 {

TH0=(65536-2)/256; TL0=(65536-2)%6; CLK=!CLK;

//重装计数初值 //重装计数初值

//取反

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3voo.html