基于STC89C52的家用天然氣自動報警顯示裝置的設計

余華星+孫增麗+倉啦+旦增多吉+普布卓瑪+何志權

摘 要 本文將立足于簡易、實用和高效的基本特點設計一個家用天然氣自動報警顯示裝置，根據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，通過ADC0804芯片將MQ-2傳感器模塊的輸出模擬電壓變化轉換為數值變化，再將數值傳送給STC89C52單片機中，同時單片機將數據傳給數碼管顯示。并且在MQ-2氣體檢測模塊中加入了一個LM393比較器，即當檢測到天然氣體時LM393比較器會發出一個低電平信號給單片機，單片機將會立即發出指令打開繼電器使警報器、排風扇、電磁閥工作.本裝置使用模塊化設計，設計成本低，響應速度快，易于后期維修，做到了實用與實惠。從實驗的模型來看，系統工作穩定、準確、易操縱，當然若做成產品還需要一些優化與改進。

關鍵詞 MQ-2氣體傳感器；ADC0804芯片；單片機；LM393；數碼管顯示

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

1 天然氣泄漏報警換氣裝置概述

本項目主要設計的是一個家用的天然氣泄漏報警換氣裝置，在核心控制線路外會聯接一個MQ-2天然氣體檢測模塊，該模塊由于內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，將阻值的變化改變為電壓的變化，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。我們再聯接一個ADC0804模塊，由于ADC0804芯片是一個8位模數轉換芯片，故該模塊可以將電壓的變化轉變為數值的變化，利用一個4位共陽數碼管對當前所采集到的濃度進行顯示，再利用單片機控制報警，在報警系統中加入一個LM393比較器，可以對報警器的靈敏度進行調節，在單片機判斷出危險信號后，單片機就會啟動繼電器來使排風扇、電磁閥、報警器工作（圖1為概述圖）。

2 系統原理圖

3 氣體檢測模塊設計

原理概述：最左邊有圓形區域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，因為在MQ-2工作前要對氣敏電阻進行加熱。原理圖中的R1是限流電阻，R2是與MQ-2氣敏電阻聯接的分壓電阻，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，因為只需要進行一組電壓的比較，故只需利用到這4個引腳，發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，發光二極管會發光。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轉換模塊設計

原理概述：在該芯片的生產廠家的說明書上很容易就可以得到ADC0804芯片進行模數轉換的最經典接法，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?？稍趩纹瑱C程序中通過控制1、2、3引腳的點位變化控制A/D轉換，即先讓單片機給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轉換，再給RD引腳一個低電平將讀信號給ADC0804芯片，最后單片機通過ADC0804芯片的11-18引腳讀取數據。

5 數據顯示模塊設計

原理概述：顯示模塊主要由兩個74HC573鎖存器以及一個4位共陽數碼管組成，數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。單片機的P0.0至P0.7口通過鎖存器與數碼管的段選接口a至b接口聯接控制數碼管顯示的具體數字，再將單片機的P0.0至P0.3口通過鎖存器與數碼管的位選接口WE1至WE4聯接，這里要注意的是51系列單片機的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/低電平而得以準確的控制。最后將單片機的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接口聯接來控制兩個鎖存器的工作狀態，這樣就通過利用鎖存器提高了單片機I/O口的利用率。聯接好線路后我們就可以在單片機程序再對先前所得到的數據進行位的分離，再通過編碼的方式傳送給數碼管，這樣數據就會顯示出來了，而且會根據當前檢測的情況對數據進行實時的更新顯示。

6 報警處理模塊設計

原理概述：該設計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，只要大于可調的門檻電壓LM393比較器的輸出端輸出低電平進。然后我們將LM393比較器的輸出端與單片機的P3.2口聯接，再在單片機程序中先對P3.2口寫1，這樣單片機的P3.2口就會檢測P3.2口的電平變化，在程序中設置只要P3.2口為低電平，我們就在與高電平觸發的固態繼電器聯接的單片機P2.3口輸出高電平使固態繼電器工作而驅動報警器、排風扇、電磁閥工作。

7 單片機運行程序

程序技巧解讀：剛進入主程序后，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。再在大循環中啟動A/D轉換，由于A/D轉換需要一段時間越為100微秒，轉換時間非常短暫，但是由于程序的運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，提高反應速度，這里設計一個技巧，將顯示子函數先運行，也就是說在沒有讀數時就運行（給A/D轉換足夠的時間），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，因為只要單片機一接收到檢測的數據就立馬會顯示出來。這樣做即省去了要延遲的時間又沒有對顯示造成錯誤，大大提高了系統反應速度。

8 系統調試結果

在焊接好電路板，聯接好各個模塊之后，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，開始運行程序，因為MQ-2也可以檢測到打火機中的主要氣體成分丁烷，我們將打火機在MQ-2周圍放氣，我發現數碼管不能夠正常顯示，看了程序也覺得沒問題，通過查電路圖才發現AD模塊的10引腳沒有和7、8引腳聯接上并接地，于是重新焊接AD模塊電路。重新焊接好后發現一切工作正常，整個系統的響應時間控制在0.5s以內，也就是說在檢測到氣體泄漏的0.5s內能夠完成顯示實時濃度、打開報警裝置、排氣扇和使管道電磁閥工作。同時我們試了一下通過調節可變電阻器也可以改變報警的靈敏度，我們對于這樣的效果還是很理想的。

參考文獻

[1]譚浩強.C語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005：95-102，131-140.

[2]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2009：2-117.

[3]何書森，陳晶，何華斌.實用模擬電路原理設計與速成[M].福州：福建科學技術出版社，2002：1-164，284-292.