基于单片机甲烷浓度监测的研究

基于“盛群”单片机和nRF905的甲烷浓度无线监测系统设计【摘要】设计并试制了的一套甲烷浓度无线监测系统。

以“盛群”HT46RU232单片机为处理器，同时以无线传输方式把多个监测点数据送到监控中心进行监控并在危险情况下告警。

本系统可用于住宅小区以及商业大楼的化粪池甲烷浓度监测。

【关键词】盛群HT46RU232单片机；nRF905收发器；气体传感器1.引言城市住宅小区及商业大楼的发生的化粪池甲烷爆炸事件多有发生，如何安全地处理这些化粪池甲烷浓度过高所带来的种种潜在危险也成了一件值得重视的事情。

作者基于盛群HT46RU232单片机设计并研制了的一套甲烷浓度远程监测系统。

该系统由一个监控中心与多个检测点组成，监控中心与检测点间由无线通信方式进行信息传输。

本设计简单实用，目前，在市场上相关类似技术的产品并不多见。

这不仅能可用于对住宅小区及商业大楼的化粪池甲烷浓度监测，也可以用于工业上多种其它气体的监测。

2.系统结构及工作原理该系统由一个监控中心与多个检测点组成，监控中心可以安装在物管公司监控室。

如图1所示，可以在不同的化粪池设置多个监测点同时监测，检测点传感器能感知环境中甲烷气体浓度并转换成模拟电信号，在单片机控制下对模拟信号进行模数变换，由无线收发模块发射出去，监控中心在单片机控制下由无线收发模块接受信息并转换成表示甲烷浓度值的数值，送到LCD显示器显示出来，当检测气体浓度超出设定的报警值时给出声光报警，无线传输距离可以100米左右，多个监测可以满足一个小区的需要。

监控中心由无线收发器RF905、单片机HT46R232、128X64LCD显示、声光报警器（蜂鸣器与发光管），监测点部分由甲烷传感器MQ-2、单片机HT46RU232、无线收发器RF905组成。

3.电路原理图3.1 监测点原理图图2所示为监测点原理电路图，图中JP4为核心控制芯片，台湾“盛群”HT46RU232是8位高性能精简指令集单片机[1]，该单片机具有低功耗、I/O 使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D 转换（12位）、脉宽调制功能、I2C 接口、UART 总线，暂停和唤醒功能，具有4096×16程序存储器和192×8数据存储器RAM。

基于MSP430单片机的红外甲烷检测仪设计及实现开题报告一、课题背景及意义甲烷是一种常见的天然气体，火灾、矿难和煤气中毒等危险事故中常常伴随着甲烷的泄漏，因此，研发一种可靠的、可用于现场检测的甲烷检测仪显得非常必要。

利用红外吸收技术来检测甲烷的浓度，是当前比较成熟的检测方法之一。

本课题的研究目的是针对红外吸收原理的特点，设计并实现一款基于MSP430单片机的红外甲烷检测仪。

二、研究内容1. 梳理现有的基于红外吸收原理的甲烷检测仪设计方案和实现方法，并对各方案进行分析，选择最适合本课题的方案。

2. 进行硬件设计，包括甲烷气体检测模块、光源和检测模块控制模块、信号放大和滤波电路、单片机控制模块以及电源等。

3. 进行软件设计，包括实现甲烷浓度检测的算法设计和单片机控制程序的编写。

4. 搭建实验平台，进行甲烷检测仪的测试和性能验证，包括响应时间、检测范围、测量误差等。

三、研究方案和方法1. 根据文献调研和吸取现有方案的优点，设计并确定最优的甲烷检测仪硬件电路方案。

2. 利用Proteus和Altium Designer等软件，进行电路的仿真和PCB 的布局设计。

3. 利用Keil等开发工具，进行单片机控制程序的编写和调试。

4. 构建实验平台和标准检测体系，测试甲烷检测仪的性能和精度等参数。

四、预期成果1. 基于MSP430单片机的红外甲烷检测仪硬件电路设计和实现。

2. 实现甲烷浓度检测的算法设计和单片机控制程序的编写。

3. 完成红外甲烷检测仪的性能和精度测试，并验证其性能和精度能够满足实际应用要求。

四、研究进度计划第一阶段：文献调研和方案设计（1个月）1. 商业化红外甲烷检测仪的调研。

2. 各方案的优缺点分析。

3. 最优方案的确定。

4. 硬件电路的设计。

第二阶段：开发工具学习和程序编写（2个月）1. Keil编译器的学习和配置。

2. 单片机控制程序的编写和调试。

第三阶段：实验平台和性能测试（2个月）1. 搭建实验平台。

电子设计工程Electronic Design Engineering第28卷Vol.28第22期No.222020年11月Nov.2020收稿日期：2019-12-25稿件编号：201912211作者简介：贾亮（1971—），男，辽宁大石桥人，硕士，副教授。

研究方向：信号与信息处理。

在对地下矿区、污水厂等地进行甲烷浓度测量时，检测人员经常需要在一些狭小空间内作业。

由于大型检测设备难以携带，一般利用吸管抽取待测气体，再利用设备测量并记录[1]。

这种测试方法存在很大的误差，且操作繁琐。

为解决这一问题，文中采用新型的红外甲烷浓度传感器作为检测探头，设计一种基于单片机的便携式小型甲烷浓度检测器。

检测器不仅可以采集现场的甲烷浓度含量，还有简洁的交互界面方便操作，提高了工作效率，降低了人工成本，具有很好的应用市场。

1硬件设计系统整体的硬件设计框图如图1所示，整个系统以STM32F407（以下简称F407）为控制核心，外围电路由复位电路、晶振电路、电源电路和4个功能模块组成。

复位电路通过外置按钮触发整个系统复位。

晶振电路向F407提供8MHz 的时钟频率，通过内部倍频的方式转换为168MHz 的系统正常工作时钟频率。

电源电路为整个系统提供5V 和3.3V 的直流电压，使用7.5V 的锂电池组进行供电。

系统的功能模块主要分为4部分：甲烷气体浓度采集、数据存储、LCD 屏显示和图像采集。

下面分别对4个模块进行分析。

1.1浓度检测模块电路设计浓度传感器主要用于检测甲烷气体浓度，传感器采用英国Clairair 公司的高分辨率红外甲烷传感基于单片机的甲烷浓度检测器设计贾亮，张武臣（沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁沈阳110136）摘要：针对传统甲烷浓度检测器体积大，不易在狭小空间操作的问题，设计了一种基于单片机的甲烷浓度检测器。

系统程序设计基于实时多任务操作系统μC/OSⅢ进行开发，利用卡尔曼滤波算法进行数据处理。

基于单片机的低功耗甲烷检测系统设计方案
1 引言
气体检测系统表是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全装备。

经过几十年的发展，在可测气体种类、测量范围、精度、稳定性、寿命等主要技术指标方面均有明显提高，随着大规模集成电路技术的发展，仪表向微型化、多参数组合与智能化方向发展。

新型甲烷气体检测系统应具有智能化的特点，能在一定其他气体干扰的情况下工作，可以采用电子鼻。

系统的结构，通过模式识别方法辨识甲烷气体。

以小型化的电子鼻系统为基础的甲烷气体检测系统，在设计上应考虑减小系统的体积、简化气体的进样装置和改进电路以满足低功耗要求等问题；另外便携式检测系统的操作者通常情况下是现场人员，属于非专业人员，系统的操作不能复杂，因此对于系统的人机交互功能在设计上也应得到重视。

传统的基于金属氧化物气体传感器存在气体选择性不高、抗干扰性差的问题，采用单个传感器的检测系统在检测中如果有其它气体干扰，容易出现相似的响应而出现误判。

本文所讨论基于单片机的高灵敏度甲烷检测系统是以微结构金属氧化物气体传感器阵列为敏感元件，结合模式识别技术进行甲烷气体检测的便携式系统。

整个系统由四单元传感器阵列器件、气体进样装置及高速单片机为核心的信号处理电路组成，具有体积小、准确度高、抗干扰能力强等优良性能。

本文要介绍该检测系统的工作原理和设计，着重于低功耗电路的设计。

2 检测系统基本结构
由细导管、微型抽气泵和小气室组成的气体进样部分，以单片机为核心的控制、信号采集处理电路以及显示、键盘、PC 接口电路，还有在PC 机上运。

基于单片机的甲烷浓度检测系统的设计摘要：本文使用红外传感器捕获甲烷浓度信息，然后将其传输到A/D转换器，该转换器再将模拟信号转换为数字信号，然后传输到单片机。

当浓度高于预设定值时，液晶显示屏显示当前甲烷浓度，LED指示灯亮，蜂鸣器开始响动，换气扇开始换气，从而降低甲烷浓度，无线模块将数据传输给远端的上位机。

关键词：单片机；红外传感器；液晶显示屏；甲烷浓度检测1、引言为了解决热催化燃烧法与热导元件法进行测量存在的安全隐患的问题，本设计充分利用STC89C51单片机作为转换器核心的甲烷浓度检测系统控制器，使用红外线传感器进行甲烷浓度检测，利用红外测量的方法，既解决了热催化燃烧法无法进行甲烷浓度高于4%的测量，又解决了热导元件法只适用于甲烷浓度高于5%的检测，完成了全浓度量程检测，且使用寿命长，不易照成元件损坏，在很大程度上既节约了成本，又保证了人员安全。

2、系统总体设计甲烷浓度检测系统方案如图1。

单片机作为核心控制单元，采用电源供电模块给整个系统供电，按键输入模块设定报警预定值，该系统的基本工作方式是：通过利用红外探测器收集沼气和矿洞中的甲烷气体的密度，将模拟值传送到A/D变换器，通过A/D变换器把该模拟值变换成数字值，然后发送到MCU。

图1 甲烷浓度检测系统方案设计3、系统的硬件设计甲烷浓度检测系统中硬件部分设计，主要按照系统的结构框图和设计要求进行设计，并且要结合设备参数进行电路设计，使各个模块都能完整的表现在电路上，发挥其应有的作用。

3.1甲烷浓度检测模块电路设计甲烷浓度检测模块电路如图2，由于NDIR红外传感器输出的是模拟量，因此需要把检测结果通过芯片ADC0832转换为数字量，再传给单片机进行处理。

NDIR红外传感器的“2”口的连接主要是为甲烷传感器的正常运作提供一个额定电源，VCC操作时接+5V电源。

NDIR红外传感器1口与A/D转换器的GND引脚相连，起到一个接地保护的作用。

NDIR红外传感器3口的连接主要是将传感器得到的模拟信号传输给ADC0832然后进行模数转换。

基于MSP430单片机的甲烷浓度检测与报警装置设计摘要：本文介绍一种基于MSP430单片机的甲烷浓度检测与报警装置设计，该装置采用了传感器检测甲烷气体浓度，并通过MSP430单片机处理和判断气体浓度是否达到预警值，并在达到预警值时触发警报。

关键词：MSP430；甲烷浓度检测；报警装置；传感器。

一、引言甲烷是一种常见的可燃气体，其高浓度存在会对人体造成危害。

因此，在生产和生活中，及时检测甲烷浓度是非常重要的。

传统的甲烷检测和报警设备大多需要专业技术人员进行维护和调试，操作不方便，并且成本较高。

因此，研究开发一种基于MSP430单片机的甲烷浓度检测与报警装置，成为非常有必要的工作。

本文的主要研究内容是基于MSP430单片机设计一种甲烷浓度检测与报警装置，该装置可以自动进行浓度检测，并在检测到预警浓度时，通过警报声音提示相关人员，以有效避免甲烷泄漏事故的发生，同时保障了人们的生命财产安全。

二、系统设计该装置主要包括传感器、信号放大器、ADC转换器、DSP芯片、报警电路等模块。

其中，传感器负责感知甲烷气体浓度，信号放大器用于将传感器信号放大后输入到ADC转换器内，ADC转换器将模拟信号转换为数字信号，DSP芯片则对数字信号进行处理，并将处理结果通过报警电路输出。

对于传感器的选型，本文选择了比较常见的MQ-5甲烷气体传感器，该传感器具有灵敏度高、响应时间短等优点。

为了有效放大传感器输出信号，本文采用了运放进行信号放大。

ADC转换器采用MSP430单片机内置的ADC10，DSP芯片则选用MSP430F5438A，并通过软件进行校验，并将处理结果转换为数字信号。

报警电路选取了蜂鸣器，当浓度超过预警值时，报警电路触发并发出声光信号。

三、实验结果为了验证该装置的可行性和可靠性，本文进行了多组实验，并对实验数据进行统计和分析。

实验结果显示装置的响应时间较短，测量误差较小，灵敏度高，并且可以快速检测到低浓度的甲烷气体。

第1章概述1.1 项目提出的必要性和国内外研究水平和动向从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。

在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。

煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。

煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差系统设备可靠性差必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。

国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。

综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。

基于单片机的家庭CO和甲烷泄漏的检测、报警与排气【摘要】在家庭生活中，火炉不完全燃烧产生的co和液化气中的甲烷给人们带来的危害是毁灭性的。

为了能够在家中随时的检测co和甲烷的浓度，并在一定浓度时报警，而且在主人没及时通风的情况下能够自动启动排气装置。

本文研究一种基于51单片机，通过传感器采集数据，单片机处理数据然后使相关硬件产生动作的系统，简单易于实现，具有一定的实际价值。

【关键词】浓度检测；51单片机；报警；排气；简易0 引言由于使用液化气做饭比较方便，好多家庭在使用，但是同时液化气泄漏带来的危害是致命的。

而且在北方的冬天，因为人们取暖的需要，好多家庭生火炉来取暖。

但是煤炭不完全燃烧产生的co却是致命的无色无味气体，当其在空气中含量达到200ppm时会出现头痛、头晕、恶心等症状，达到400ppm时两小时内时会出现前额通而三小时后会有生命危险，达到800ppm时在四十五分钟内出现头痛和恶心而两小时后有生命危险，达到1600ppm时会在一小时内死亡。

而且co易与空气混合发生爆炸，其混合爆炸极限为12.5%～74%。

一次次煤气中毒带来的血的教训让我们必须重视这个安全问题。

本文设计一种系统，该系统能够随时的检测空气中的co和甲烷的含量，同时显示在led上，并且在一定浓度能够实现报警功能，而这个浓度是可以人为设定的。

而且当co浓度达到危害人身体的浓度时，可以驱动排气机部分工作来实现迅速通风从而排除险情，这样就可以避免事故的发生。

1 系统的硬件电路设计1.2 单片机微控制器由于本系统要实现的功能并不是很复杂，故采用intel公司mcs-51系列单片机的80c51单片机，该单片机有体积小、价格低、耗电小、电源单一、抗干扰能力强、可靠性高、控制功能强、运行速度快、开发应用方便等优点。

80c51内部有128字节的ram容量和4k的rom。

并且有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。

基于51单片机的甲烷检测系统设计
甲烷是一种常见的天然气体，广泛应用于工业生产和生活用途中。

然而，高浓度的甲烷气体对人体健康和环境造成严重危害，因此及时准确地检测甲烷气体浓度至关重要。

基于51单片机的甲烷检测系统可以实现对甲烷气体浓度的监测和报警，为人们提供安全保障。

首先，一个高效可靠的甲烷检测系统需要具备快速响应的能力。

在空气中甲烷气体浓度超过一定阈值时，系统应能够迅速发出警报，以便人们及时采取措施。

基于51单片机的甲烷检测系统通过优化传感器与单片机之间的通信协议，实现了对甲烷浓度的实时监测，并能够在瞬间作出响应，保障了系统的高效性。

其次，甲烷检测系统的准确性也是至关重要的。

传统的甲烷检测方法可能存在误差较大的情况，影响了检测结果的可靠性。

基于51单片机的甲烷检测系统采用了先进的数字信号处理技术和智能算法，通过对传感器采集的数据进行精准分析和处理，提高了检测结果的准确性和稳定性，确保了系统的可靠性。

此外，甲烷检测系统的实用性也是需要考虑的因素之一。

在实际应用中，系统需要具备便捷操作和良好的用户体验，以便用户能够轻松地使用和维护系统。

了简洁直观的用户界面，提供了多种操作方式和报警设置，方便用户根据不同需求进行调整和管理，增强了系统的实用性和用户友好性。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，基于51单片机的甲烷检测系统设计充分考虑了系统的响应速度、准确性和可靠性，为用户提供了全方位的安全保障。

未来，我们还将进一步优化系统的性能和功能，提升系统的智能化水平，以满足不同用户群体的需求，促进甲烷检测技术的发展和推广。

基于51单片机的甲烷检测系统设计摘要：本文提出了一种基于51单片机的甲烷检测系统设计。

该系统主要由甲烷检测传感器、电路、51单片机控制芯片和LCD显示屏组成。

该系统能够快速、准确、稳定地检测甲烷气体的存在并进行报警提示，广泛应用于工业生产、矿山开采、油气运输以及市政环保等领域。

关键词：51单片机、甲烷检测、传感器、LCD显示屏引言：随着工业生产、矿山开采、油气运输以及市政环保等领域的不断发展，在这些领域中存在着大量甲烷气体的存在。

甲烷是一种具有易燃性和爆炸性的气体，如果不能及时检测和处理，将给生产、运输和城市居民生活带来极大的安全隐患。

目前市场上已经有许多甲烷检测系统，但是这些系统存在成本高、检测准确度低、使用寿命短等缺点。

所以，设计一种低成本、高精度、长寿命的甲烷检测系统具有重要意义。

一、系统设计：本文设计的基于51单片机的甲烷检测系统主要由甲烷检测传感器、电路、51单片机控制芯片和LCD显示屏组成。

其中，甲烷检测传感器是检测甲烷气体的重要部分。

电路主要是对传感器的输出信号进行处理，从而转化为可以被51单片机处理的信号。

51单片机控制芯片是整个系统的主要控制部分，通过对传感器信号进行分析和处理，能够实现甲烷气体的检测和报警提示。

最后，LCD显示屏用于显示甲烷气体的检测结果。

二、甲烷检测传感器：本文选用一种高灵敏度、高响应速度、高选择性的甲烷气体传感器模块。

该模块采用普通电化学传感器作为检测元件，具有灵敏度高、响应速度快、响应时间短等特点。

同时，该传感器模块还具有高稳定性、低功耗、抗干扰能力强等优点。

三、电路设计：电路主要包括前置放大、滤波处理、A/D转换和51单片机输入输出等部分。

在前置放大部分，将传感器输出信号放大，使其能够达到51单片机可以处理的电平。

在滤波处理部分，对放大后的信号进行滤波处理，去除高频噪声，保留低频信号。

在A/D转换部分，将滤波后的信号数字化，便于51单片机进行处理。

在输入输出部分，实现51单片机与LCD屏幕、蜂鸣器等外围设备的连接。

基于单片机的可燃气体检测摘要：本文的设计主要是针对室内有害气体中的可燃气体进行检测。

该设计基于80C52单片机进行开发以实现其控制功能。

整个检测系统电路由传感器调理电路、模数转换模块、液晶显示模块、单片机、指示报警等模块组成。

其主要工作流程为：通过MQ-4气体传感器对室内有害气体浓度进行采集，从而转换成相应的电压值，将所需的模拟信号采集处理后传送给A/D转换器，再经模数转换后将数字信号传送至8052单片机，然后通过单片机内部的数据处理，判断是否需要进行声光报警，以此来预防泄漏事故的发生。

该系统可以实现对空气中可燃气体的浓度进行检测以防止气体泄漏，从而大大降低日常生活中可燃气体泄漏所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生。

【关键词】：可燃气体；报警器；单片机；数据采集与记录；MQ-4传感器AbstractIn this paper, the design mainly for indoor harmful gases a combustible gas in the gas detection. The circuit is based on C52 for development in order to realize the control function, the whole test system circuit consists of: sensor conditioning circuits, analog-to-digital conversion module, liquid crystal display module, MCU, instructs the alarm module, etc. Its main working process is: through the MQ - 4 gas sensor for indoor harmful gas concentration in the collection which is converted into corresponding voltage value, amplify the analog signal acquisition of required will be sent to A/D converter, then through module converted to digital signals and 8052 single chip microcomputer, then by single chip microcomputer internal data processing, judge whether need to sound and light alarm, to prevent malignant accidents. The system can realize to the combustible gas detection, to prevent the gas concentration is too high in the air, thereby significantly reducing daily caused by harmful gas poisoning, the incidence of fire, explosion and other accidents.[key words]:Harmful gas; alarm; single chip microcomputer; data acquisition and recording; MQ - 4 sensors目录基于单片机的可燃气体检测 (I)1.绪论 (1)1.1天然气的危害 (1)1.2课题的研究背景及意义 (2)1.3 有害气体检测系统在国内的发展 (2)1.3.1国外发展现状与趋势 (2)1.3.2国内发展现状 (3)2.系统组成框图与工作原理 (5)3.电路单元硬件设计 (6)3.1主控芯片的选择与介绍 (6)3.1.1 管脚介绍： (7)3.1.2 89C51的外部管脚封装 (9)3.2 单片机最小系统电路设计 (10)3.2.1 单片机时钟电路 (10)3.2.2 复位电路 (10)3.3 ADC0809转换芯片介绍 (11)3.3.1 管脚介绍 (12)3.3.2 管脚封装 (13)3.4 ADC0809的部分电路 (14)3.5 MQ-4传感器介绍 (15)3.5.1 传感器的规格 (16)3.5.2 传感器的测量电路 (18)3.6 液晶显示电路 (19)3.6.1 TC1602A的引脚功能 (19)3.6.2 TC1602的控制指令 (20)3.6.3 LCD的连接电路 (21)3.7 声光报警电路 (22)4 系统软件设计 (23)4.1 系统总体软件设计流程 (23)4.2软件开发工具的介绍 (23)4.2.1 KEIL系统概述 (24)5 检测系统电路的仿真 (26)5.1 软件仿真 (26)5.1.1 PROTEUS软件与KEIL软件的联调 (26)5.1.2 软件仿真过程 (27)5.2硬件实物图 (28)6.总结 (30)致谢 (31)参考文献 (32)附录程序 (34)1.绪论伴随着经济的发展和工业化进程的加快，环境污染问题日趋严重。