基于单片机的煤气报警器设计(1)

毕业论文（设计）

基于单片机的煤气报警器设计

学生姓名：王汉东

指导教师：张妍（讲师）

合作指导教师：

专业名称：通信工程

所在学院：信息工程学院

2013年6 月

目录

摘要........................................................ I Abstract ................................................... II 第一章前言. (1)

1.1研究目的和意义 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3研究内容和方法 (1)

第二章系统总体概述 (3)

2.1天然气报警的设计思路 (3)

2.2系统的设计要求及基本功能 (3)

2.3系统结构框图 (3)

2.4方案的选择 (4)

第三章硬件设计 (6)

3.1主控单片机模块 (6)

3.2气体传感器模块 (10)

3.3模数转换模块 (16)

3.4声光报警模块 (20)

3.5LED显示模块 (20)

第四章软件设计 (22)

4.1单片机编程 (22)

4.2主程序 (24)

4.3调零子程序 (25)

4.4显示子程序 (26)

4.5报警子程序 (27)

第五章结论与建议 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

附录一程序代码 (33)

附录二系统大图 (39)

摘要

随着改革开放，与西部大开发战略的深发展。使得液化石油气、煤气、天然气随着经济水平和科学技术的高速发展已经进入寻常家庭,提高了城市的生活品质，也使得人们对生活质量和生活环境的改善越来越重视。

不过同时也给人们带来了一定的潜在的危险,其中一氧化碳（CO）是最主要的危险源。一氧化碳进入体内后会和血红蛋白相结合，使血液中的含氧量减少，使人缺氧死亡，或者造成财产的损失。因此研究各种气体的检测方法与报警也随之成为一个重要课题，同时对于煤气气体的检测与控制就变得很重要了。

本课题设计煤气报警采用了AT89C51单片机为报警器的核心部件，对煤气报警器进行控制。同时选用气体传感器MQ- 9同时与ADC0808转换器连接，将模拟信号转换为数字信号使得单片机能处理，经AT89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于设定的气体浓度值，如果是的话则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则不会报警。

关键词：气体传感器，气体泄露报警器，AT89C51单片机

I

Abstract

The West-East Gas liquefied petroleum gas, natural gas as the economic level and the rapid

development of science and technology into the homes of families to improve the quality of life of the city, also makes it the quality of life brought great convenience to people's livesand the improvement of the living environment more and more attention。

But also gave rise to some potentially dangerous carbon monoxide (CO) is the main source of danger. Carbon monoxide into the body and hemoglobin combined decrease in the oxygen content in the blood, makes oxygen death, or damage property. Therefore, for the detection and control of the gas gas becomes important to study a variety of gas detection and alarm also will become an important issue.

Design of this project with a gas alarm annunciator AT89C51 microcontroller as the core component of the gas alarm control. Also selected gas sensor MQ-9 ADC0808 converter is connected with both, the analog signal is converted to a digital signal that the microcontroller can handle, the AT89C51 single-chip processing, and analysis of the data processed, the gas concentration is greater than the set value, if it is, then it will automatically start the alarm circuit

alarm sounds, and vice versa will not alarm.

Key words：selected gas sensor,Leaking gases alarm,AT89C51 microcomputer

II

第一章前言

1.1研究目的和意义

安全问题对于楼房家庭住户是个不能忽视的问题。为了减少并杜绝各种因燃气而造成的伤害，生产单位以及人民群众应选择一种适合的室内煤气泄露报警器实在是一种必不可少的手段。所以，防止煤气中毒与爆炸是人们一定要正视的问题。煤气泄漏报警器正以其小巧的体积，高稳定性，高便携性，高检测性，以及低成本打入各个国家的家庭当中。家用煤气报警器作为煤气气体探测器具有较高的检测准确性，防止因过量泄漏而照成人员与财产的损失，通常有模数转换模块，声光报警模块，LED显示模块，排气扇模块，GSM短信发射模块等构成。常常根据泄漏的量来驱动是什么光亮，报警器响不响等。由于要求燃气体报警器具有更小的体积，更高精度的监控，更长时间稳定的工作的特点。传统的纯硬件报警器已经无法达到人们的期望了，因此常用atmel公司的51系列单片机来实现。

对于常用的燃气泄漏报警器，常常是一单片机为主控模块，LED模块，排风扇模块，声光报警模块为分支模块。报警器对于在人们的日常居家生活中，尤其在煤矿等工业生产中都发挥着至关重要的安全保护作用，所以实时准确测量周围工作环境中的煤气等可燃性气体，有毒有害气体泄露，对保护人民的人身安全和财产安全有不可或缺重要意义。

1.2国内外研究现状

气体检测报警产品属于高新技术是，一个以人民生活为依托的系列产品，包括气体检验测试探针、信息传输与控制功能、报警检测与分析系统，是传感集成分析、非手动管理控制、单片机使用、数据传输和管理等技术的综合技术引用。

对于商用燃气泄漏报警器来说还外国的技术发展较早，而且也更加成熟。

二十世纪六十年代初期，日本开发完成第一台真正意义上的家用燃气泄漏报警器，1964年12月其改良产品问世，经过改良后的报警器可以安装在浴室或者采用中心管控，严防死守科研气体的泄漏。

国内煤气报警器的研究起步相对较晚，芯片厂家数量，价格等因素使得国内的燃气泄漏报警器已经输在了起跑线上了，但随着时代的发展科技的进步，以及改革开放三十年和党和国家的正确领导，特别是三个代表重要思想的提出以后，国内外的燃气泄漏报警器的零件差距不是很大，许多指标已经超越。但国外仪器依然占领了国内大部分市场，成熟的自主研制的煤气报警器产品在国内难觅踪迹，只在期刊杂志出现了零散的不够具体科学的文章。虽然现在市场上也以出现了少量产品。不过存在的问题是：人们对于燃气泄漏的防范意识不够，生产商对于产品的功能构造的不够完善，还有销售商对于市场的分析过于片面，才造成了当前国货的尴尬局面。

1.3研究内容和方法

本设计主要研究并设计以AT8C51单片机为主控模块，LED模块，声光报警模块，为分支模块的燃气泄漏报警器。其中AT89C51单片机，其价格便宜，易于产品化。主要针对CO气体，主要实现家庭燃气泄漏的检测与报警。控制系统主要是由A T89C51单片机、模数转换模块、LED显示模块、声光报警模块等部分组成。单片机通过ADC0809为主体的模数

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转换模块所输出的来的信号，来对之后的声光报警模块和LED模块来进行驱动，实现三色LED灯，蜂鸣器的管控，同时达到实现对于燃气泄漏报的监控。此燃气泄漏报警器可以将气体传感器输出的模拟信号经模数转换模块处理送入主控模块中进行处理，并将测量数值传到LED模块，若气体浓度超过警报值（需自行设定一个，可以是爆点稍低），用主控模块操作红灯报警，并使蜂鸣器鸣响，发出警报，降低危险发生的概率。并且要达到绿灯点亮表示一切正常，没有一氧化碳泄漏，此时红色和黄色不亮，蜂鸣器正常；当空气中有一氧化碳时，但没有达到报警值，此时黄灯亮，红色灯和绿色灯不亮，蜂鸣器正常；红色灯点亮时表示此时空间当中已经非常危险了，要立即声蜂鸣器响起。

系统以MQ-9气体传感器和AT89C51 单片机为核心，设计气体泄漏报警器。实现：

1.设计电路在无人监控的情况下自己能正常安全稳定运行的准确测量测试房间当中CO 泄漏值；

2．实现汇编语言对于单片机的各个模块，并间接的可对于传感电路的控制；

3．了解MQ-9气体传感器的具体功能；

4．实现确保人民的生活安全，为正确体现科技为人民的重要思想。

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第二章系统总体概述

2.1天然气报警的设计思路

此设计的燃气泄漏报警器应能检测出空气中一氧化碳的浓度同时可以报警，设备的主要部分应有：单片机主控模块，LED显示模块，声光报警模块，以及模数转换模块。

首先气敏传感器作为第一部分首先要感知周围空间环境的一氧化碳的浓度，将气体浓度通过模数转换模块转换成为对应的电压信号送入单片机。在单片机中对数字信号进行分析，检测，对比。随后将数字信号以10进制数的形式表现在LED显示模块中同时判断气体浓度值，与某个预设值既报警门限进行比较，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音反之则为正常状态。由于传感器在温度较高时更加准确，故可以考虑增加一个温度补偿电路。为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。燃气泄漏报警器的关键部分是单片机主控模块和气体传感器模块，因此我们根据周围环境，所检测的气体以及生产成本等诸多方面考虑采用MQ-9行气体传感器和atmel公司的单片机。系统总体主要是分为：传感器模块、数模转换模块、L ED显示模块、声光报警模块气体传感器模块和模数转换模块这五大模块。

2.2系统的设计要求及基本功能

2.2.1系统的设计要求

一、由于不同地点煤气量有所差异，要求对多个地点同步进行煤气测量

二、测量煤气范围可以设定，精度为5ppm

三、预置时显示设定的ppm值

2.2.2系统的基本功能

一、能对煤气值进行检测、保持和控制，超出安全煤气值时进行报警。

二、能根据实际需要对2个不同地点的安全煤气值进行设置。

2.3系统结构框图

本次燃气泄漏报警器系统才用了单片机主控模块，LED显示模块，声光报警模块，气体传感器模块，和模数转换模块。其设计合理，结构构思巧妙，物尽其用，其结构如下图所示：

图 1.天燃气泄漏报警系统结构框图

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其中CO传感器是对于周围环境的燃气浓度值进行检测，是设备的关键的感知部分。由于气体传感器受环境影响较大，故常常增加一个温度补偿电路，使传感器工作在较高的温度环境中，有利于增加其稳定性。A/D转换模块是将模拟信号转换为数字信号，供单片机处理信号。最后，由单片机发出合适声光信号，来表明当前的状态。

2.4方案的选择

1.主控模块设计方案的论证与比较

方案一：采用单片机A T89C51芯片

以单片机AT89C51芯片作为系统的控制核心，具有4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，两个16位定时/计数器，32个I/O接口线，一个5向量的两级终端结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。功能强大的单片机AT89C51，是纵多设计师们所青睐的，其常被灵活应用于很多控制领域。尽管单片机AT89C51在一定程度上符合设计的要求，但由于本次设计要实现的功能比较多，需要较大的程序存储空间，其最大的问题是可能会出现内存不足的现象。为了避免出现内存不足，要外接程序存储器，使电路复杂化的现象，建议使用内存比单片机AT89C52芯片大的芯片。

方案二：采用单片机A T89C52芯片

与采用单片机AT89C51芯片相比，采用单片机AT89C52芯片作为系统的控制中心，具有片内8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的RAM，按常规方法编程和在线编程均可以用在单片机AT89C52上，比较方便。利用其可将通用的微处理器结合Flash存储器在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器，可以避免外扩内存的复杂化，很大程度上解决了内存不足的问题。

综合考虑设计成本以及实现的功能后，决定采用单片机AT89C51芯片。

2.显示模块的设计方案的论证与比较

常用的显示设备主要有LED显示器和LCD显示器，由于本系统的主控芯片可以直接驱动LED显示器和仅需要显示数字，故选择LED显示器。从节省单片机内部资源的角度来考虑的话，串行输出优于并行输出，故仅考虑串行输出。

方案一：多位LED数码管动态显示方式

当显示的位数比较多时，采用动态显示比较合理。在动态显示下，单片机的一个I/O接口接上并联在一起的数码管的8个引脚（a-h），单片机的另一I/O接口接上每个数码管的共阴或共阳端（位选信号端），控制数码管轮流被选中，驱动其轮流显示。动态显示即依次轮流点亮各位显示器，故同一瞬间只能显示一种字符。位选口控制具体的显示内容，借助人的视觉暂留效果以达到显示不同字符的效果。为了显示效果稳定，可以使每个数码管显示的数字不断重复，因而要求不断刷新。如果要达到人类视觉的良好效果，刷新的频率则必须达到一定的程度。高频率重复刷新，必定占用了单片机的运行时间。相反，如果单片机无法提供足够的刷新频率，则显示效果不稳定，出现闪烁现象。另外，由于动态显示不具有直接驱动的功能，动态显示要考虑LED驱动问题。动态显示是由段和位选信号共同配合而完成的，因而必须同时考虑段和位的驱动能力，需要注意的是段的驱动能力决定位的驱动能力。总体而言，动态显示相对来说，要综合考虑多方面因素，相对复杂。

方案二：多位LED数码管静态显示方式

当显示的位数不多时，择优考虑静态显示。采用静态显示的方式时，最大的优点是LED 显示器由接口芯片直接驱动，很小的驱动电流便可换取较高的显示亮度。串行输出大大节约了单片机的内部资源，减少不必要的浪费。采用74LS164实现串并转换，无需添加其他驱动电路。LED亮度高，控制容易，电路简单，占用CPU很少的运行时间，不占用太多的接口资源，基本能够满足设计的最佳要求。由于本设计需要五位显示器，综合以上分析，故选

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择多位LED数码管静态态显示方式。

3.报警模块的设计与论证

报警模块要实现的是在环境中的燃气浓度值超出初始设置的范围时，可以及时作出报警，设计要求不会给整体设计带来太多的负担，又鉴于单片机可直接驱动蜂鸣器，故直接用单片机外接报警信号放大器来放大报警信号，驱动蜂鸣器作出清晰的报警信号。

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第三章硬件设计

3.1主控单片机模块

本设计中采用的是ATMEL公司的AT89C51单片机。

图2 AT89C51实物图

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含128bytes的随机存取数据存储器（RAM）和4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM），器件采用ATMEL 公司的非易失性、高密度的存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置Flash存储单元和通用8位中央处理器，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[1][2][3][4][5]。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，有40个标准引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[5]。

主要性能：与MCS-51 兼容；4K字节可编程FLASH存储器；使用长度：1000次以上；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24MHz；128×8位内部RAM；32位可编程输入/输出线；脉冲时钟模块；睡眠模式；可编程串行通道；两个16位定时器/计数器T0、T1；5个中断源：INT0、INT1、T0、T1、RXD、TXD；三级程序存储器锁定

特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：两个16位定时\计数器，128字节随机存储器（RAM），中断控制结构（可处理5个中断源），片内振荡器及时钟电路，4K字节只读存储器，32个多用I/O口线，分别是p0 p1 p2和p3，一个全双工串行通信口。一个8位的cpu及指令系统，21个非常用功能寄存器，非片内存储电路。

内存架构

MCS-51有四种不同类型的内存- 内部RAM，特殊功能寄存器，程序存储器和外部数据存储器。

内部RAM（IRAM）位于从地址0到0xFF的地址。IRAM从0x00到0x7F可以直接访问。IRAM从0x80到0xFF必须使用@ R0或@ R1语句，要访问的地址装入R0或R1间接访问。128位IRAM地址0x20值为0x2F位寻址。

特殊功能寄存器（SFR）都位于相同的地址空间作为IRAM，0x80?0xFF的地址处，并

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直接进行访问，使用相同的指令的下半部分IRAM。他们不能被通过@ R0或@ R1间接访问。SFR的16位寻址。

程序存储器（PMEM，虽然不太常见的用法比IRAM和XRAM）是64 KB只读存储器，在一个单独的地址空间地址0处开始。这可能是上或片外的，这取决于所使用的芯片上的特定模型。只读程序存储器，但8051上使用的片上闪存和一些变种的重新编程的内存在系统或应用程序提供了一种方法。除了代码，它是未能存储在程序存储器中的只读数据，MOVC A，@ DPTR指令访问。数据是取自指定的地址在16位的特殊功能寄存器DPTR。

外部数据存储器（XRAM）是第三的地址空间中，也开始在地址0。它也可以是上或片，是什么使得它的“外部”的是，它必须使用MOVX指令（移动外部）访问。许多变种的8051包括标准的256字节IRAM加在芯片上几KB的XRAM。

管脚说明：

VCC：+5v。

GND：接地。

P0口：可做一般I/O使用，当做输入或输出时应在外部接提升电阻，外部记忆体扩充时，当做数据总线（D0~7）及地址总线（A0~7）。由ALE结交输出信号时复用。

P1口：一般I/O使用，內部设有提升电阻。

P2口：p2是一个8位双向I / O端口内部上拉。端口2输出缓冲器可汇/源四TTL输入。当1s被写入端口2引脚，它们被拉高上拉，可以用来作为输入信号。作为输入，端口2 pins 被外部拉低将源电流（IIL），因为内部上拉。p2发出的高位地址字节在提取从外部程序存储器和访问外部数据存储器，使用16位地址（MOVX @ DPTR）。在这种应用中，p2发射1时，使用强大的内部上拉。在访问外部数据存储器，使用8位地址（MOVX@ RI），p2发出的内容P2特殊功能寄存器。P2口也接收高位地址位和一些控制信号在闪存程序明和核实。

P3口：端口3是一个8位双向I / O端口内部上拉。3口输出缓冲器可汇/源四TTL输入。当1s被写入港口3 pins，他们拉高由内部上拉，并可以作为输入。作为输入，p3口被外部拉低将源电流（IIL），因为上拉。p3 编程和校验接收一些控制信号。p3也可以用不同的特殊功能的AT89S51所示。

管脚备选功能

P3.0 RXD 串行通信输入端

P3.1 TXD 串行通信输出端

P3.2 /INT0 外部中断0的输入端

P3.3 /INT1 外部中断1的输入端

P3.4 T0 计时器0的脉冲输入端

P3.5 T1 计时器1的脉冲输入端

P3.6 /WR 片外数据存储器“写控制”信号输出端

P3.7 /RD 外部数据存储器“读控制”信号输入端

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。该引脚上出现两个机器周期高，而振荡器运行复位设备。该引脚驱动高看门狗超时后的98个振荡器周期。在默认状态下，复位高输出功能位已启用。

ALE/PROG：地址锁存使能（ALE）是一个输出脉冲锁存地址低字节访问外部存储器。

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8 该引脚也是在闪存编程脉冲输入（PROG

）编程。在正常操作中，ALE 是在一个恒定的速率1/6振荡器的频率发射并可能用于外部定时或定时的目的。但是，请注意，一个ALE 脉冲被跳过每次访问外部数据存储器。如果需要，可以禁止ALE 操作通过设置位0 SFR 位置8EH 。随着位设置，ALE 是活跃仅在MOVX 或MOVC 指令。否则，该引脚微弱拉高。

设置的ALE 禁止位微控制器有没有效果，如果是在外部执行模式。

/PSEN ：片外程序存储器的选通，当单片机需要从片外ROM 读取内容时，此段将输出低电平，已控制片外ROM 进行输出。

/EA/VPP ：外部访问启用。EA 必须绑到GND 为了使设备来代码从0000H 开始上升到FFFFH 的外部程序存储器位置。但是请注意，如果锁定位1编程，EA 将在内部上reset.EA 锁存应绑VCC 内部程序执行。该引脚还收到12伏的编程使能在闪存编程电压（VPP ）。 XTAL1输入到反相振荡放大器和输入到内部时钟工作电路。

XTAL2从反相振荡放大器的输出

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。单片机管脚图

图3.AT89C51管脚图

单片机的中断与复位

中断的概念

当CPU正在处理一个事件，当事件发生时，外面快的CPU来处理请求，使CPU暂停当前的工作，转去处理事件。中断服务处理了事件，然后再返回到原来的地方继续中止原来的工作，这样的过程被称为一个中断。

89C51的中断系统

AT89S51总共有5个中断向量：两个外部中断（INT0和INT1），两个定时器中断（定时器0和1），和串口中断。这些中断源可以单独启用或禁用通过设置或清除位在特殊功能寄存器IE。IE浏览器中还包含了一个全局禁止位，例如EA，禁用所有中断一次。请注意，IE.6和IE.5位的位置是未实现的。用户软件不应该写1s这些位的位置，因为他们可能会在未来AT89产品中使用。定时器0和定时器1旗帜，TF0和TF1，定于S5P2其中定时器周期溢出。的值在下一个周期中的电路，然后由调查。

（1）内部中断源：

TF1：当T1计数产生溢出时，由硬件置位TF1，定时器T1的溢出中断标记,。当CPU 响应中断后，再由硬件将TF1清0。

TF0：与TF1类似。

TI、RI：串行口发送、接收中断。

（2）中断源：

外部中断请求源：即外中断0和1，通过INT0、INT1单片机上有两个引脚的经由外部引脚引入的也就是P3.2、P3.3这两个引脚。外部中断与内部TCON中有四位有关。

IT1：INT1触发方式控制位，IT1=0，INT1为低电平触发，IT1=1，INT1为负跳变触发。

IE1：INT1中断请求标志位。当有外部的中断请求时，这位就会由0跳变成1，在CPU 响应中断后，由硬件将IE1清0。

IT0、IE0的用途和IT1、IE1相同。

（3）中断寄存器IE

中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8位中断允许寄存器IE来控制的。

有EX0 EX1 ES ET0 ET1 EA等

其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。

ES－串行口中断允许

ET0－定时器0中断允许，EX0－外中断0中断允许。

ET1－定时器1中断允许，EX1－外中断1中断允许。

(4)中断服务入口与自然优先级

外中断0：0003H；定时器0：000BH；外中断1：0013H；定时器1：001BH

串口：0023H

器有限及顺序为由高到低。

通过IP来确定优先级的高低，若对应的中断为低优先级则将IP设置为0，同理若是高优先级则将IP设置为1。

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单片机复位电路

将单片机初始化为OOOOH，是执行新程序的必要条件，此操作叫做单片机的复位。当程序运行出现bug或由于某些操作失误系统处于崩溃时，对单片机进行复位可以解决此类问题。

在本次的设计中必须对单片机复位，再继续进行设计。每次要使用单片机时都要对其进行复位初始化。复位是第一步也是最重要的一步，其目的是使单片机和处于一个稳定的状态。单片机要想通过复位必须结合其外部复位电路来完成，而只靠自己本身无法完成，通过电复位和按键复位才可以有效完成复位。我们在设计单片机复位时，有不同的选择，而上电复位可以利用电容器的充放电来实现，是我们选择的首要方式,上电复位利用电容器的充电实现。一般来说电容参数为：电容值为1uF，晶振为12MHZ，。图中给出了复位电路参数。上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。通过RST的高电平保持一段时间，使得单片机复位，上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

同时单片机的的个别引脚信号同时也受到了复位操作的影响同时一些寄存器也受复位影响。单片机复位时工作正确的第一步，也是最重要的一步，采用按键电平复位方式，虽然简单但是必不可少，同样对于以后的实验也要首先对单片机进行复位。

3.2气体传感器模块

随着我国燃气的巨大发展及西气东输工程的持续进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。但每年都有关于由于可燃性气体泄漏而造成的生产生活夫人安全问题，造成了巨大的人员伤亡与财产损失。一氧化碳（CO）化学性质稳定，常态下和空气没有区别，且没有气味，密度较空气要轻，单位体积下溶于水的量有限。当含碳元素不完全燃烧时，可产生大量一氧化碳，高浓度一氧化碳对人体有巨大危害，或即使长时间吸收较低浓度的一氧化碳，也有一定几率造成急性中毒。氧分子和血红蛋白的结合能力是一氧化碳与血红蛋白结合能力超过的0.005-0.003倍之间，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，吸入一定量的一氧化碳会导致昏迷，严重者会死亡。当一氧化碳进入人体，最终到达血液循环系统后，就会大量取代氧分子而与血红蛋白相结合。若是CO中毒严重，轻者于康复过程中可能会发生视觉听觉功能失调、丧失记忆等病症或引起视觉及神经上的问题，严重者会导致大脑皮层受损甚至发生死亡。甚至，因室内可燃性气体浓度过高而造成的爆炸不能忽视的，气体检测器则是重中之重。

所谓气体检测器是一种装置，检测各种气体的存在下在一个区域内，通常作为安全设备的重要组成以及这种类型的设备是用于检测气体的泄漏和接口与控制系统的处理，以便可以自动关闭。气体检测仪可以在发生泄漏的地方运营商敲响了警钟，让他们有机会离开该地区。这种类型的设备是很重要的，因为有许多气体，可能是有害的有机生活，如人或动物。气体探测器，可用于探测可燃，易燃和有毒气体，和氧气耗尽。这种类型的设备被广泛使用在工业中可以找到的各种地点，如石油钻井平台，监视制造过程的和正在出现的技术，例如光电它们也可用于消防。

气体探测器通常是电池供电。他们传送的声音和可视信号，如报警和闪烁的灯光，检测到危险水平时，燃气蒸汽通过一系列的警告。作为探测器测量的气体浓度，该传感器响应校

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准气体，作为参考点或零点规模。由于传感器的检测超过预先设定的报警级别，报警或信号将被激活。作为单位，气体探测器作为便携式或固定设备。最初，产生检测器检测到一个单一的气体，但现代的单元可检测一些有毒或可燃气体，或者这两种类型的组合。支持欧洲共同体称为MINIGAS协调的项目，该项目由芬兰VTT技术研究中心的研究。该研究项目旨在开发新型基于光子气体传感器，并支持创建较小的仪器具有同等或更高的速度和灵敏度比传统的实验室级气体探测器。

气体传感器可以分为气体检测器，气体检测器是两种主要类型：便携设备和固定式气体检测器的操作机构（半导体，氧化，催化，红外等）。第一个是用来监视人员周围的气氛，并在衣物上，或在皮带/线束被穿戴。气体探测器的第二个不同的是固定型的，它可用于检测一个或多个气体类型。固定式探测器通常安装在靠近过程领域的工厂或控制室。一般来说，它们都安装上固定式钢结构温和的和电缆连接到SCADA系统进行持续监督和跳闸连锁紧

急情况下可以激活的探测器。较新的气体分析仪可以向上突破的分量信号，在复杂的气体中，同时确定了几个气体。

燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、复合型可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品[6]。

(1)居民家庭用的燃气报警器一般为民用可燃气体报警器,一般安装在厨房煤气管道上，遇燃气泄漏到一定量时，报警器有数字显示或同时伴声光报警，同时联动其它外部设备,有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏；有的报警器则可自动开启风扇，把燃气赶出室外[6]。

(2)复合型可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器的区别只是存在于检测探头，而在原理和应用中都很相近，根据检测环境的不同可将工业用燃气报警器及有毒气体报警器，分为探测器、控制器和检漏仪[7]。

任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：

稳定性

稳定性是在整个工作时间的传感器的响应取决于零点漂移间隔漂移的基本稳定，并且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。好在没有目标气体传感器的输出变化的响应在整个工作时间则成为零点漂移。在理想的情况下，在连续运行条件下的传感器，每个零点漂移小于10％。对检测信号响应速度快，重复性高的情况下也要使其零点漂移稳定，且长期工作稳定性好。

选择性

选择性亦称为交叉灵敏度，在对于多种气体检测的过程中是十分重要的。可确定由所述传感器测量的响应，这等同于一定浓度的目标气体所产生的传感器的响应产生的干扰气体的浓度。交叉灵敏度降低了测量的可重复性和可靠性，较高的灵敏度，和一定的稳定性，对于商用气体传感器是必不可少的条件。

生物学，化学是传感器的主要设计参考依据，而其灵敏度主要由所使用的技术所决定的。传感器结构是指传感器的输出变化量与所测得的输入的变化的比率。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。首先要考虑的是选择一个确定的方法，检测

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目标气体的爆炸下限的百分比或阀限制有足够的灵敏度。

耐腐蚀性

耐腐蚀性对于传感器的使用寿命有着重要意义，众所周知，许多待检测的气体有很强的腐蚀性，若耐腐蚀的能力不强这会造成探针老化，当气体浓度非常大的时候，严重影响传感器的使用寿命。探头应能够承受所需的气体体积分数为10~20倍，在自然工作时，气体传感器的零点漂移是要越小越好。

气体传感器的灵敏度，选择性和稳定性，是根据本身的材料所确定的，以确定选择合适的材料。同时新材料发展的特性，使传感器处于最佳工作状态。再者就是要求使用寿命长；制造成本低，使用与维护方便。

气体报警器的实现，与不同传感器之间的选择是很重要的，是该系统的重要组成部分，它的性能反映瓦斯监测系统的精度和范围。易燃气体的危险，爆炸下限的值越小，爆炸极限，爆炸下限和上限之间的范围内，更危险。有许多可燃气体也具有一定的毒性。

其中CO的气体毒性是对人体有非常大的伤害的，见下表1。

表1 CO对人体的有害程度

空气中一氧化碳的浓度吸入时间和中毒症状

200ppm 2-3小时前头部轻度头痛

400ppm 1-2前头痛恶心2.5-3后头痛

800ppm 45 分钟头晕眼花2小时精神失

1600ppm 20分钟头晕、头痛眼花2小时死亡

3200ppm 5-10分钟头晕、头痛、眼花30分钟死亡

6400ppm 1-2分钟头晕、头痛、眼花10-15分钟死亡

12800ppm 1-3分钟死亡

由于本次设计主要是针对家庭用户，所以选用了MQ-9比较适，并且特别对于一氧化碳会中毒也有显著作用[10][11][12]。这种传感器生产成本及维护成本低，稳定性强，敏捷性高，同时十分小巧方便，十分利于用作气体传感器。

MQ-9传感器对一氧化碳的灵敏度高，常用于检查CO气体的浓度，而对于其它的机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低，是因为装有活性炭过滤器，消除了杂质气体的影响，所以我们拿他来用于漏气的检测。在这里我们主要他对一氧化碳的检测功能[13]。

其灵敏特性如图所示：

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图4 传感器的灵敏特性

有标准试验下得到数据结果：

Ro＝1000ppm一氧化碳中的20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值，Rs=1000ppm一氧化碳、不同温/湿度下传感器的电阻值，纵坐标以传感器电阻比（Rs/Ro）表示。

基本测试回路：

此传感器需要施加2个电压，回路电压和加热器电压，回路电压则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R L）上的两端电压（V RL）。加热器电压用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。由于这种传感器具有阴阳极，所以V C需用直流电源。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（P S）低于15mW的限度值，为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。只要能满足传感器的电性要求，回路电压和加热器电压可以共用同一个电源电路。

MQ-9的管脚连接如图。

图5传感器的连接图

MQ-9传感器的工作原理是它的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电

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压值VRL输出而获得的。二者之间的关系为：（Vrl*Rs/RL）+Vrl=Vc下图是利用上图回路测得由洁净空气转换到至一氧化碳气体中时，传感器的变化RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在电压变化的2.5分钟到5分钟之间进行的。

图6传感器输出信号的变化

对于稳定性，MQ-9型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。其在正常使用的情况下可以使用达到至少6年，或者更久。因此，它具有优秀的长期稳定性。

灵敏度调整：

MQ-9型气敏器件对一氧化碳和其它类型的不同浓度的气体，电阻也随之变化。因此，考虑过报警点时的温湿度的影响再使用MQ-9时一定要用一氧化碳校正传感器，应考虑对于传感器的灵敏度的矫正。

灵敏度的矫正过程：

1. 将传感器通上电并写持续通电50小时以上；

2. 调节电阻使得一氧化碳的浓度每到一分半钟就获得一个浓度值；

3. 改变另外的电阻直到一分钟末得到一个CO浓度时所需要的信号值。

MQ-9一氧化碳气体传感器具体特性测量范围为0-1000PPM，工作温度-20～70°，测量精度为3%，零点漂移为PPM<10，分辨率为1PPM。

半导体材料不同于其他材料，其所制作的气体传感器，不用怀疑其一定会出现零点漂移的。来制作后一定会遇到的问题报警器设计的重中之重是妥善处理好气体传感器温度补偿问题（图7、图8）为了达到使气体传感器稳定工作的目的，主要方法是使气体传感器的表面温度维持相对不变，因此常常采用的方法在使用环境当中提高气体传感器的热机功率。

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图7 传感器输出特性曲线图

图8传感器加温度补偿所需的加热电压曲线

温度补偿电路

由于传感器电阻R s本身容易受到温度的影响，若直接使用会产生误差，经过放大器的放大之后，原本很小的误差就会被扩大，从而影响最终的结果。所以，在这里，本设计使用了一个对称的电桥温度补偿电路，R T为热敏电阻，随室内温度而改变。如图9所示，运用电桥补偿法进行温度补偿。其中，R S为传感器电阻，R L为负载电阻，R1为滑动变阻器，并选取OP07（在下面再做介绍）放大器组成差分放大电路。

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图9 温度补偿电路

电路工作原理：

常用电桥式温度补偿电路来减小对由于温度升高所带来的的影响。负载电阻R L不随温度升高而变化，而传感器电阻Rs与温度变化成正比，传感器的输出电压由V i1/R L=[Vcc/（R L+Rs）]可知，传感器输出电压是减小的，即传感器发生零点漂移。因此本设计采用了电桥式温度补偿电路是为了消除该漂移的影响。热敏电阻R T电阻值与温度的变化成正比。根据电桥式温度补偿电路的原理，只需调整滑动变阻器R1的阻值，无所谓R S、R T如何变化，即可保持四个阻值之间的定比关系。滑动变阻器R1上的电压为V i2，则有：V i2/R1=Vcc*(R T+R1)。而输出电压V i=0，即保证了传感器在零点没有输出值，消除了零点漂移的问题。此后，传感器电阻R S只随一氧化碳气体浓度的增量有关，保持滑动变阻器阻值不变，导致输出电压V i1变动，电压差V i=V i1-V i2作为输入信号，经放大电路放大：Vout/10=1/10V i=V i2-V i1，A/D转换的输入信号即为最后所得到的的电压信号Vout。电压增益Av=Vout/（V i2-V i1），本设计中，放大10倍。

3.3模数转换模块

由传感器接收到了空气模拟信号而不能直接传输到单片机，因此要先用模/数转换器将

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