论文总字数：20098字

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外有关气体检测的发展历史及现状 2

1.3 本文结构安排 3

第二章 系统总体设计 4

2.1 系统功能描述 4

2.2 系统总设计框架 4

2.3 本章小结 5

第三章 系统硬件设计 6

3.1 MSP430单片机系统设计 6

3.1.1 MSP430F149单片机介绍 6

3.1.2 晶振设计 7

3.1.2 复位电路设计 7

3.2 传感器模块设计 8

3.2.1 传感器原理简介 8

3.2.2 传感器探测板电路设计 9

3.3 STM32 模块设计 11

3.3.1 STM32F030F4P6芯片介绍 11

3.3.2 STM32模块控制板电路设计 12

3.4 液晶显示模块设计 13

3.4.1 LCD12864的介绍 13

3.4.2 LCD12864液晶显示电路设计 14

3.5 声光报警电路设计 14

3.6 本章小结 15

第四章 系统软件设计 16

4.1 MSP430主程序设计 16

4.2 STM32模块程序设计 17

4.2.1 AD转换子程序设计 17

4.2.2 串口子程序设计 18

4.3 LCD液晶显示程序设计 18

4.4 本章小结 19

第五章 系统调试 20

5.1 系统硬件调试 20

5.2 系统软件调试 21

5.3 系统总调试结果展示 22

5.4 本章小结 24

第六章 总结与展望 25

6.1 本文总结 25

6.2 工作展望 25

参考文献 27

致 谢 29

附录1 30

附录2 31

基于单片机的可燃气体检测仪

刘玉飞

,China

Abstract：In this paper, a combustible gas detector is designed based on the principle and application of single-chip microcomputer. MSP430F149 single-chip microcomputer has high processing precision and adopts the main control module of the system.By detecting the combustible gas (such as methane, hydrogen, etc.) through the NAP-55A gas sensor, the output signal is converted to digital information through the A/D conversion function inside the STM32 single chip microcomputer.A serial port communication to transmit information to data processing within the MSP430 MCU and send it to LCD real-time display. At the same time, if detection concentration values more than safe, controlled by single chip microcomputer signal alarm, sound and light alarm circuit to detect the current environment gas concentration, transfinite alarm, prevention of accidents and protect the personal safety and property safety. In addition, this combustible gas detector is a practical design with convenient transportation, low power consumption, high sensitivity and reliability.

Keywords: MSP430F149 single-chip microcomputer; NAP-55A gas sensor; combustible gas detection; liquid crystal display; sound and light alarm

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

当今世界，经济不断快速地发展，对能源的消耗与日俱增，同时，煤矿、石油等行业也在产业升级过程中激增，易燃、易爆、有毒等气体在人们的生产生活中也越来越多地出现。在实际的生产制造、交通运输以及使用过程中，这些气体如果发生了泄露，将极有可能会导致附近作业人员中毒、甚至引发火灾、爆炸等灾难性事故，会严重危害人们的人身安全和财产安全^[1]。另外，因此存在气体扩散的情况，气体泄漏后在风的作用和内部浓度梯度的影响下，其可以沿着地面扩散，加重在事故发生现场的燃烧或爆炸情势，会进一步扩大危害范围^[1]。

中国是世界上最容易发生煤和瓦斯爆炸灾害的国家之一，每年因此灾难而意外伤害的人数达到惊人的6000人次^[2]。据数据统计显示，仅2000年7月至2008年12月，共发生了199起瓦斯爆炸事故，总遇害人数多达1063人。因此，煤矿、瓦斯等可燃气体的安全性不容忽视，已经成为影响经济发展、工业进步的重大安全问题。众所周知，瓦斯气体主要包含的是CH₄（甲烷），是一种没有颜色没有气味的无毒气体。它主要从煤岩裂缝中喷出，弥散在煤矿里^[3]。当其超出安全浓度范围时，极易引起爆炸。爆炸后产生的高温、高压会在瞬间使得周边空气高速向外扩散，形成的冲击波会严重破坏基础设施，危害人身安全。另外，大量的煤尘会随着爆炸冲击波涌出并参与爆炸，这样产生的破坏力将会更大，并且爆炸后还容易生成大量的有害气体，严重的将会造成人员中毒甚至死亡^[4]。

除此之外，在生产生活中，由于可燃气体的泄露，引发火灾和爆炸的事故发生率依然居高不下。根据统计数据显示，在国内外每年发生的可燃气体泄漏事故时，往往会伴随着可燃气体排量的突然增加、以及造成地面的起伏等危害。因此我们需要通过探测气体浓度来监控、检测可燃气体的泄漏，保证人们的生命财产安全。

近些年来，气体传感器的研究已经取得了很大的进步，相关的检测仪器也陆续研发出来。危险化学品应加强安全管理，提高安全措施和控制事故的发生，但是要想实现绝对安全是不可能的，仍然会有不可估的意外事故发生^[5]。因此及时地检测和报警气体泄露隐患，这对于在暴露在危险场所下作业的工作人员来讲是极其重要的，能够更大限度地避免和阻止悲惨事故的发生，从而更好地保证社会的稳定和谐。

可燃气体检测仪能够实时监测当前环境中可燃气体的浓度，一旦浓度超出预定阈值，就能发出警示信号，提醒人员撤离，起到了防患于未然的作用。目前大部分的检测仪器能够检测如甲烷、丙烷、丁烷、氢气等常见的易燃、有毒气体。由于大部分的检测仪都是固定静止的，所以开发一款可移动的手持可燃气体检测仪具有重大意义。因为手持式可燃气体检测仪可以轻便快捷、随时随地进行可燃气体的浓度检测。其主要有以下几个应用：气体泄露检测、事故应急检测、作业前进入检测、巡回检测以及检修检测等^[6]。可以看出，手持式可燃气体检测仪可对人们安全地进行煤矿作业、燃气使用、燃气泄漏及时排查将会起着十分重要的作用。

1.2 国内外有关气体检测的发展历史及现状

国外的气体检测技术发展迅速，原因如下：第一是因为人们对生产生活的安全保障性有了明显的更高的要求和更强的意识；第二也是由于气体检测方面的硬件快速发展。例如日本的费加罗公司研发了用于检测硫化氢的低功耗气敏传感器，而美国的IST公司则推出了使用寿命可长达10年以上的气敏传感元器件，美国的另一家First Alert公司能够制造更先进的光化反应型低功耗CO气敏传感器等等^[7]。除此之外，还有像美国General Monitors公司，在传感器中巧妙地集成了微处理器芯片，这样就能够使得气敏传感器具备了独立的控制校准以及监视自我故障的功能，更加智能化，工作可靠性也大大地提高^[8]。所以，无论是在单片机智能芯片提高处理性能的方面，还是在气敏传感器元件提高检测精度以及降低功耗的方面，都有了显著的成效。那么，气体检测技术在国外的飞速发展也是情理之中。

就目前来看，我国对于气敏传感器的发展情况也是十分看重。当前，国家大力气敏传感器元件，投入很大的研究资金，列为重点科研项目。因此，国内的气体检测传感器元件也有了不断的进步，降低了功耗，提高了灵敏度，但是更加集成化、精细化仍然是要谋求发展的重中之重。

现如今，国内气敏元件传感器的研究现状是^[9]：

（1）在实际的生产中，烧结型气敏传感器仍占主导地位，占总产量的绝大多数，而接触燃绕式气敏传感器已经逐步拥有了批量生产的基础设备和制造能力；

（2）电化学气敏传感器已经初步进行了试验，逐步接近世界先进水平；

（3）在元件结构方面研发制作了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构等新型元器件，赶上日本、美国等发达国家的先进水平；

（4）需求量较大的低功耗气敏元件，例如H₂、CH₄、CO等气敏元器件等，已经进入了批量生产的阶段；

（5）国内气敏元器件传感器的年产量正在稳步增长，目前的总产量比上个世纪末的总产量翻了几倍，极大地满足了市场需求，促进了经济的快速发展。

总体而言，我国自主研发气敏传感器元件已经有了很大的进步，但与国外先进的气体检测技术相比依然有很大的差距与不足，在产品的开发设计、制作工艺、实际应用以及一体化的产业结构等方面差距更为明显，仍然需要不断地改进技术，提高气体检测水平^[10]。

随着微控制智能芯片的功耗不断降低、性能不断增强，在任何方面的检测需求上，都能得到更好的满足和实现。加上在生活、工业和商业方面，可燃气体气敏传感器元件已经得到了非常广泛的使用，有着很客观的发展前景。因此利用单片机与气敏传感器的整体设计，让气体检测技术更加精准、快捷自然水到渠成。另外，利用多气体检测传感器，可以实现多种气体的同时检测，达到一台气体检测仪拥有多种用途的效果，提高了利用价值。

1.3 本文结构安排

本文主要介绍一种基于单片机的可燃气体检测仪以及其设计与制作过程。它采用高效率、低能耗的MSP430F149单片机作为主控芯片，使用NAP-55A气敏传感器作为检测模块，利用 高速度的STM32单片机的模数转换模块，将传感器输出的模拟信号转化为数字信号。最后再通过串口通信模块将信号传给MSP430主控芯片进一步处理，最终把计算后的气体浓度值在LCD12864液晶显示器进行实时显示。

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