基于单片机的天然气报警测试仪设计

吴献东

摘 要：本设计主要是由一个MQ-4传感器采集气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系，进行浓度电压转换，浓度显示，声光报警构成的报警装置。本系统由ADC0832处理数据，MCU采用STC89C52，完成气体浓度信号的采集显示内容的传输、显示等功能，结构简单运行稳定。

关键词：STC89C52单片机； MQ-4传感器； 声光报警；

第一章 天然氣报警测试仪的方案设计

1.1 天然气报警测试仪的整体设计方案

1.1.1天然气报警测试仪工作原理

本论文中的天然气泄漏报警器以STC89C52单片机为控制核心，通过MQ-4型电阻式半导体传感器采集空气中天然气浓度。气体传感器MQ-4输出的是模拟量，其作用是把探测到空气中的天然气的浓度转换成对应的电压信号，电压信号送入模数转换芯片ADC0832转换成数字信号，转换成的数字信号送入STC89C52单片机，单片机对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的浓度值显示到数码管上，同时判断气体浓度值是否超出报警限，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。

1.1.2天然气报警测试仪原理图

2.2天然气报警测试仪的原理图

第二章 天然气报警测试仪的硬件部分设计

2.1主控电路设计

2.1.1 STC89C52单片机简介

本设计采用STC89C52单片机作为系统的处理器， STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

2.1.2 STC89C52单片机的基本结构

STC89C52单片机主要由以下部分组成：

（1）CPU系统：8位CPU和闪烁存储器；时钟电路；总线控制逻辑。

（2）存储器系统：8KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash）；512字节数据存储器（RAM）。

（3）I/O口和其他动能单元：4个并行I/O口；3个16位定时/计数器；2个全双工串行通信口；中断系统（5个中断源）

2.2 MQ-4气体传感器

MQ-4气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。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。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。MQ-4气体传感器对液化气、甲烷、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

2.3 气敏元器件的灵敏度测试调节

气敏元器件在标准工作条件（温度：20℃±2℃，湿度：65%±5%）下的特性：

其中X轴表示外界可燃气体的浓度，Y轴表示变化内阻与固定电阻的值（Rs/Ro），Rs：气敏元器件的表面电阻，Ro： 元件在洁净空气中的电阻值。（Ro=14.43 KΩ）

在调节MQ-4的可调负载电阻值时，以空气中甲醛值为5000ppm时作为校准，此时观察显示部分电路，若准确显示的范围为5000ppm（1±5%），则灵敏度与实际符合。

2.4 声光报警部分

采集到的数字信号经过单片机计算后，如果天然气浓度达到报警器设置的临界点时，单片机将控制蜂鸣器报警，同时LED亮。LED的正极与PNP三极管的集电极c相连，负极接2K电阻后接地。蜂鸣器采用PNP三极管来驱动，三极管发射极e接电源正极（+5V），基极接1K电阻后接单片机P3.4端，集电极接蜂鸣器，通过蜂鸣器后接地。

2.5 LED的显示方法

静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制。由于单片机本身提供的I/O口有限，实际使用中，通常通过扩展I/O口的形式解决输出口数量不足的问题。

2.6 复位电路

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。52系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

2.7 最小系统及按键

STC89C52单片机的最小系统由起振电路、复位电路、STC89C52芯片组成。单片机接+5V电源；晶体振荡器频率为12MHz（11.0592MHz），晶振的两个引脚分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2端，晶振的两端再分别连接一个30pF电容后接地；复位电路经电源正极（+5V）接10uF电容后接10k欧姆电阻接地，单片机复位端RST接在电容和电阻之间。本次设计电路中加入4个按键，用于人为报警和设置报警的上限值。按键分别接单片机P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端。S1是数字键加，S2是数字键减，S3是确认键，S4是模拟报警键，当按下S4时蜂鸣器报警，LED亮；再次按下S4用来取消报警。

结论

气体检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。本文设计的天然气泄漏检测报警系统采用性价比很高的STC89C52单片机作为主控芯片，利用其强大的处理能力和较丰富的外围接口，合理选用I/O端口，较好地完成了天然气泄漏检测报警系统的设计。

参考文献：

[1]李学礼.基于Proteus的8051单片机实例教程[M].北京：电子工业出版社，2008.