基于STC89C52的家用天然氣自動報(bào)警顯示裝置的設(shè)計(jì)

余華星+孫增麗+倉啦+旦增多吉+普布卓瑪+何志權(quán)

摘 要 本文將立足于簡易、實(shí)用和高效的基本特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個家用天然氣自動報(bào)警顯示裝置，根據(jù)MQ-2氣體傳感器能夠探測天然氣中的主要成分甲烷的特點(diǎn)，通過ADC0804芯片將MQ-2傳感器模塊的輸出模擬電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)值變化，再將數(shù)值傳送給STC89C52單片機(jī)中，同時單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳給數(shù)碼管顯示。并且在MQ-2氣體檢測模塊中加入了一個LM393比較器，即當(dāng)檢測到天然氣體時LM393比較器會發(fā)出一個低電平信號給單片機(jī)，單片機(jī)將會立即發(fā)出指令打開繼電器使警報(bào)器、排風(fēng)扇、電磁閥工作.本裝置使用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成本低，響應(yīng)速度快，易于后期維修，做到了實(shí)用與實(shí)惠。從實(shí)驗(yàn)的模型來看，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確、易操縱，當(dāng)然若做成產(chǎn)品還需要一些優(yōu)化與改進(jìn)。

關(guān)鍵詞 MQ-2氣體傳感器；ADC0804芯片；單片機(jī)；LM393；數(shù)碼管顯示

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0276-03

1 天然氣泄漏報(bào)警換氣裝置概述

本項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)的是一個家用的天然氣泄漏報(bào)警換氣裝置，在核心控制線路外會聯(lián)接一個MQ-2天然氣體檢測模塊，該模塊由于內(nèi)部氣敏電阻的阻值會隨被檢測空氣中的天然氣含量的增加而減小，故我們可以通過簡單地放大電路，將阻值的變化改變?yōu)殡妷旱淖兓?，通過放大電路后，輸出的電壓會隨被檢測空氣中天然氣含量的增加而增大。我們再聯(lián)接一個ADC0804模塊，由于ADC0804芯片是一個8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，故該模塊可以將電壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值的變化，利用一個4位共陽數(shù)碼管對當(dāng)前所采集到的濃度進(jìn)行顯示，再利用單片機(jī)控制報(bào)警，在報(bào)警系統(tǒng)中加入一個LM393比較器，可以對報(bào)警器的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在單片機(jī)判斷出危險(xiǎn)信號后，單片機(jī)就會啟動繼電器來使排風(fēng)扇、電磁閥、報(bào)警器工作（圖1為概述圖）。

2 系統(tǒng)原理圖

3 氣體檢測模塊設(shè)計(jì)

原理概述：最左邊有圓形區(qū)域1、2、3、4、5、6為MQ-2傳感器的6個引腳，其中5、2是為電熱絲提供電壓，因?yàn)樵贛Q-2工作前要對氣敏電阻進(jìn)行加熱。原理圖中的R1是限流電阻，R2是與MQ-2氣敏電阻聯(lián)接的分壓電阻，RP可變電阻器，三角形部分是LM393芯片的其中1、2、3、4、VCC引腳，因?yàn)橹恍枰M(jìn)行一組電壓的比較，故只需利用到這4個引腳，發(fā)光二極管是用來給外界提示的信號燈，不難看出，只要LM393的1引腳輸出低電平，也就是檢測到一定濃度的天然氣時，發(fā)光二極管會發(fā)光。最后P1的VCC和GND為該電路供電，DOUT輸出TTL電平，即高電平或者低電平，AOUT輸出電壓變化的模擬信號。

4 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

原理概述：在該芯片的生產(chǎn)廠家的說明書上很容易就可以得到ADC0804芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的最經(jīng)典接法，即為圖4所示。6、7引腳分別是VIN（+）和VIN（-）引腳，輸入信號；8引腳是AGND引腳即模擬信號地引腳；10引腳是DGND數(shù)字信號地引腳；4引腳即CLK引腳是時鐘信號輸入端；1引腳即CS片選信號輸入端引腳，低電平有效，一旦CS有效，表明AD轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動工作；3引腳是WR即寫信號輸入引腳，低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換；2引腳是RD即讀信號輸入端，低電平有效；9引腳是VREF/2引腳即參考電平輸入引腳，決定量化單位；20引腳為VCC引腳，芯片電源輸入引腳。可在單片機(jī)程序中通過控制1、2、3引腳的點(diǎn)位變化控制A/D轉(zhuǎn)換，即先讓單片機(jī)給ADC0804芯片的CSAD引腳一個低電平選中AD，再給WR引腳一個低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換，再給RD引腳一個低電平將讀信號給ADC0804芯片，最后單片機(jī)通過ADC0804芯片的11-18引腳讀取數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)

原理概述：顯示模塊主要由兩個74HC573鎖存器以及一個4位共陽數(shù)碼管組成，數(shù)碼管的接口分為段選和位選兩部分段選有8個接口，位選有4個接口。單片機(jī)的P0.0至P0.7口通過鎖存器與數(shù)碼管的段選接口a至b接口聯(lián)接控制數(shù)碼管顯示的具體數(shù)字，再將單片機(jī)的P0.0至P0.3口通過鎖存器與數(shù)碼管的位選接口WE1至WE4聯(lián)接，這里要注意的是51系列單片機(jī)的P0口沒有上拉電阻，也就是說不能正常的輸出高/低電平，必須要現(xiàn)在P0口外接一個10K歐姆阻值的9腳排阻才能正常的輸出高/低電平而得以準(zhǔn)確的控制。最后將單片機(jī)的P2.8和P2.7分別于管理段選的鎖存器和管理位選的鎖存器的11接口聯(lián)接來控制兩個鎖存器的工作狀態(tài)，這樣就通過利用鎖存器提高了單片機(jī)I/O口的利用率。聯(lián)接好線路后我們就可以在單片機(jī)程序再對先前所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行位的分離，再通過編碼的方式傳送給數(shù)碼管，這樣數(shù)據(jù)就會顯示出來了，而且會根據(jù)當(dāng)前檢測的情況對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的更新顯示。

6 報(bào)警處理模塊設(shè)計(jì)

原理概述：該設(shè)計(jì)在氣體檢測模塊中加入了一個LM393比較器，通過一個可變電阻器可以改變LM393比較器的門檻電壓，在將MQ-2傳感器的4引腳輸出的模擬電壓與門檻電壓進(jìn)行比較，平時沒有天然氣泄漏時，由于MQ-2傳感器4引腳輸出的模擬電壓低于門檻電壓，故LM393比較器的輸出端輸出高電平，只要MQ-2傳感器檢測到天然氣，它的4引腳輸出的模擬電壓就會升高，只要大于可調(diào)的門檻電壓LM393比較器的輸出端輸出低電平進(jìn)。然后我們將LM393比較器的輸出端與單片機(jī)的P3.2口聯(lián)接，再在單片機(jī)程序中先對P3.2口寫1，這樣單片機(jī)的P3.2口就會檢測P3.2口的電平變化，在程序中設(shè)置只要P3.2口為低電平，我們就在與高電平觸發(fā)的固態(tài)繼電器聯(lián)接的單片機(jī)P2.3口輸出高電平使固態(tài)繼電器工作而驅(qū)動報(bào)警器、排風(fēng)扇、電磁閥工作。

7 單片機(jī)運(yùn)行程序

程序技巧解讀：剛進(jìn)入主程序后，首先通過位選鎖存器將ADC0804芯片的CS引腳置低電平，選中ADC0804芯片，此后不再改變。再在大循環(huán)中啟動A/D轉(zhuǎn)換，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一段時間越為100微秒，轉(zhuǎn)換時間非常短暫，但是由于程序的運(yùn)行速度與之相比速度非?？?，所以在程序中還是需要延時，為了充分利用時間，提高反應(yīng)速度，這里設(shè)計(jì)一個技巧，將顯示子函數(shù)先運(yùn)行，也就是說在沒有讀數(shù)時就運(yùn)行（給A/D轉(zhuǎn)換足夠的時間），基于此，剛開始顯示一定為零，雖然這樣做了，但是對于我們宏觀的觀察是沒有妨礙的，因?yàn)橹灰獑纹瑱C(jī)一接收到檢測的數(shù)據(jù)就立馬會顯示出來。這樣做即省去了要延遲的時間又沒有對顯示造成錯誤，大大提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度。

8 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

在焊接好電路板，聯(lián)接好各個模塊之后，我們將以上程序通過STC燒寫軟件下載到我們用的STC89C52芯片中，開始運(yùn)行程序，因?yàn)镸Q-2也可以檢測到打火機(jī)中的主要?dú)怏w成分丁烷，我們將打火機(jī)在MQ-2周圍放氣，我發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能夠正常顯示，看了程序也覺得沒問題，通過查電路圖才發(fā)現(xiàn)AD模塊的10引腳沒有和7、8引腳聯(lián)接上并接地，于是重新焊接AD模塊電路。重新焊接好后發(fā)現(xiàn)一切工作正常，整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間控制在0.5s以內(nèi)，也就是說在檢測到氣體泄漏的0.5s內(nèi)能夠完成顯示實(shí)時濃度、打開報(bào)警裝置、排氣扇和使管道電磁閥工作。同時我們試了一下通過調(diào)節(jié)可變電阻器也可以改變報(bào)警的靈敏度，我們對于這樣的效果還是很理想的。

參考文獻(xiàn)

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