可燃性气体报警器——毕业论文设计

可燃性气体报警器

摘要

随着可燃性气体种类和应用范围的增加，其使用场所和贮气仓库内的泄漏、火灾爆炸事故日益增多。从安全、环保及经济上考虑，研制一种检测可燃性气体自动报警和自动打开排器装置的一种控制器是非常必要的。

本设计对可燃性气体泄漏报警、控制器进行了深入的研究，采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路，具有检测误差小，反应速度快等优点。选用MQ2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测，采用功能和性价比较高的STC89C52单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行采集、数据处理、显示、报警及打开排气装置等工作。

本设计的可燃性气体报警、控制器可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度，实时显示浓度值，当达到预先设定的上限报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测可燃性气体，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。

关键词：报警器；可燃性气体；单片机；气体传感器

Abstract

With the rapid increase of combustible gas classes and applied range, the leakage and fire explosion of locations and warehouses storing combustible gas are more often. To ensure personal safety, environment and equipment safety, it is necessary to develop a new type reliable combustible gas alarm instrument.

This paper explains combustible gas alarm instrument principle deeply, and use the project of detector and microcontroller control circuit to design alarm instrument. Chooses MQ2 gas sensor, which turns the concentration of combustible gas in the air into voltage signal, and sends the voltage signal into microcontroller(MCU), then MCU implements date acquisition, processing, concentration display and alarm operation. Meanwhile, taking function, integration and the ratio of performance to price into account, chooses STC89C52 MCU as the core part of combustible gas alarm instrument.

Combustible gas alarm instrument designed detects alkyl combustible gas especially, and displays concentration on the instrument. When combustible gas reaches alarm threshold value, the instrument sends out sound and light alarm, reminds worker to take action. The combustible gas alarm instrument has got past the test on the spot and got a satisfying result. Conclusion can be drawn that this kind of high efficiency combustible gas alarm instrument will have a wide application.

Keywords：divulging alarm; combustible gas ;single chip microcomputer; gas sensor

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目录

引言 (1)

第1章绪论 (2)

1.1课题研究的目的和意义及来源 (2)

1.1.1 课题研究的目的和意义 (2)

1.1.2课题的来源 (3)

1.2可燃性气体报警控制器国内外现状 (3)

1.3本课题主要完成的任务 (3)

第2章可燃性气体报警控制器的方案设计 (4)

2.1 气体传感器的选型 (4)

2.1.1 气体传感器的种类 (4)

2.1.2 TGS-813气体传感器 (5)

2.1.3 TGS-813气体传感器的一般特点 (6)

2.2 可燃性气体报警控制器的整体设计 (7)

2.2.1可燃性气体报警控制器的结构 (7)

2.2.2可燃性气体报警控制器主要技术指标 (7)

第3章可燃性气体报警控制器的硬件设计 (8)

3.1 AT89S52系列单片机系统结构特点 (8)

3.2 可燃性气体报警控制器的电路设计 (9)

3.2.1 前置放大电路 (9)

3.2.2 A/D转换电路 (10)

3.2.3 AT89S52单片机接口电路 (11)

3.2.4 声音报警电路 (12)

3.2.5 显示电路 (12)

3.2.6 中断电路 (13)

第4章可燃性气体报警器的软件设计 (15)

4.1 AT89S52单片机调试及开发工具 (15)

4.2可燃性气体报警控制器软件流程及设计 (15)

4.2.1 主程序流程图及设计 (15)

4.4.2 T0中断子程序 (16)

4.4.3 线性化处理子程序设计 (17)

4.4.4 十六进制转化十进制子程序设计 (19)

4.4.5 显示子程序设计 (20)

4.4.6 键扫描子程序设计 (22)

结论与展望 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录A：硬件电路总图 (26)

附录B：外文文献及译文 (27)

附录C：主要参考文献及摘要 (31)

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附录D：程序清单 (33)

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义及来源

1.1.1课题研究的目的和意义

随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都有所增加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧，在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时，就是一种爆炸性混合物，遇火就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，会燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。国内外均有不少这方面的报道，其教训是非常深刻的。为了防患于未然，只有采用先进、可靠的安全监测仪表，严密监测环境中的可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，将事故消灭在酿成事故之前，才能确保安全生产，居民的人身财产安全才能有保证。

可燃性气体报警控制器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。但现在国内使用的报警控制器，许多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达不到标准，报警器的性能也不稳定。有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏使报警器不能工作;有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确，安全的报警和控制。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB 15322-2003)《可燃气体探测器》。在2004年10月国家颁布《可燃气体检测报警器规程JJG693-2004 》。一部分不合规定的可燃性气体报警控制器将停止使用[10]。因此，研制一种新型，性能稳定、准确监测可燃性气体，并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行。

1.1.2课题的来源

随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时，对生产技术手段也进行不断的提高，研制一种新型、性能稳定、准确监测可燃性气体报警控制器势在必行。

而传统的模拟型可燃性气体报警控制器，对于气体传感器的特性补偿、修正，采用

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匹配补偿传感器的硬件调整方式；这种调整方式虽然具有现场调整方便的优点，但补偿拟合的范围窄，匹配传感器的部件选择困难，而难以获得较好的补偿、修正效果。因此，本次设计采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路。

本次设计采用以STC89C52芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2来检测外部气体浓度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。STC89C52芯片具有功能强大，性价比高等一系列优点，适合产品大规模生产。同时，设计出的可燃性气体报警控制器具有操作简单，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等场所使用，具有很高的实用价值。

正是由于可燃性气体报警控制器对于安全生产的重要性，国内外有众多厂家研制、生产这一产品。从运用所学知识和实际意义出发，研制一种固定式可燃性气体报警控制器，它主要对以烷类气体为主的多种可燃性气体进行检测控制。

1.2 可燃性气体报警控制器国内外现状

可燃性气体报警控制器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明燃气报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的性能上，均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家，他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。

我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警控制器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，又进行研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步[7]。

工业可燃性气体报警控制器一般分为可燃性气体检漏仪(简称“检漏仪”)、可燃性气体报警控制器(简称“控制器”)、可燃性气体探测器(简称“探测器”)三大系列产品。

“检漏仪”的体积较小，可随身携带或手持，采用碱性电池或可充电电池供电，一般可以连续工作近12小时。该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。

“探测器+控制器”，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器，可在防爆现场长期监测气体的浓度。这种仪器大都装设在油库、乙炔站、液化气站和煤气站

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等易燃易爆的危险场所。探测器安装在防爆现场，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。

1.3本课题主要完成的任务

本课题是基于单片机的家用可燃性气体检测报警器控制器的研制，主要完成以下任务：

(1)对单片机报警器系统进行整体的规划和结构的设计。

(2)以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。

系统硬件电路主要分为A/D转换电路、STC89C52单片机接口电路、声音报警控制电路、显示电路四个部分。

(3)系统的软件编制。在程序的编写过程中，分别对主程序和各部分子程序进行了流程

图的绘制，同时加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。

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第2章可燃性气体报警控制器的方案设计

2.1 气体传感器的选型

可燃性气体传感器是一个气-电变换器，它的作用是把可燃性气体在空气中的含量(即浓度)变成电信号，进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件，是各种类型(袖珍式、便携式、固定式)仪表的核心之一。因此，传感器的选型是非常重要的[3]。

2.1.1 气体传感器的种类

国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2， C4H10， CH4等)扩展到毒性气体(CO，NO2， H2S， NO， NH3， PH3等)。气体传感器种类繁多，从原理上可以分为三大类：

(1) 利用物理化学性质的气体传感器:如半导体、催化燃烧等。

(2) 利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。

(3) 利用电化学性质的气体传感器:如电流型、电势型等。

下面对工业上常用的几种气体传感器作以简单介绍。

(1) 半导体气体传感器

这类传感器主要使用半导体气敏材料，利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化的原理工作的。由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，这类传感器得到了广泛的应用。目前，世界上许多国家开展了对半导体气敏材料的研究，其中日本、美国处十领先地位，我国也投入大量资金和人力进行研究，并取得一定成果。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。

(2) 固体电解质气体传感器

这是一种产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。它使用固体电解质材料作为气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，形成电动势，钡U量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域。如测量H2S YST-Au-WO3， NH3的NH'4CaCO3等。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(3) 接触燃烧式气体传感器

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这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸F限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。这类传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不足的是催化剂寿命有限，当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。

(4) 高分子气体传感器

利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化D21高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。

(5) 电化学传感器

这类传感器由膜电极和电解液灌封而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是:反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大于等于两年)。它主要适用于毒性气体的检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

2.2 MQ-2传感器简介

2.2.1 MQ2传感器概述

MQ-2是郑州炜盛电子科技有限公司生产的可燃气体传感器，对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，驱动电路简单，较大的电信号输出。应用于家庭和生产环境下的一氧化碳探测装置，适宜于一氧化碳、煤气，液化石油气等的探测。

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2.2.2 MQ2传感器详细说明

MQ-2型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。

图2-1给出了MQ-2元件对不同气体的灵敏度特性。温度为20摄氏度，湿度为65%，氧气浓度为21%，RL=l0k，Ro为1000ppmLPG（液化石油气）中气敏元件电阻，Rs为不同气体不同浓度下气敏元件电阻。

图2-1 MQ-2灵敏度特性曲线

MQ-2工作原理：

传感器的表面电阻Rs是通过与其串联的负载电阻R

L 上的有效电压信号V

RL

输出而获

得的。二者之间的关系为：

公式（3-1）

图2-2为负载测试曲线图，是利用测试回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳或甲烷气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期或在两个完整的加热周期内测得。

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图2-2 负载测试曲线图

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第3章可燃性气体报警控制器的硬件设计

3.1 可燃性气体检测报警器的设计

在可燃性气体报警控制器的设计中，单片机是仪表的核心部件。它一方面接收传感器检测到的可燃性气体浓度所对应的模拟电压信号，另一方面要对这一信号进行处理，控制报警、控制电路进行相应操作，与此同时判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速、准确的检测，进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型，并为制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，本设计选用生产的STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。

首先，可燃性气体浓度信号通过MQ-2气体传感器将可燃性气体浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，经过A/D转换，输出一个适合单片机接收的电压信号，然后，送入STC89C52中，线性化数据处理后，将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。最后，将浓度值送入LED数码管显示。当检测到的可燃性气体浓度超出上限报警设定值时，报警器发出声音报警，同时继电器启动驱动排气装置，实现排气系统的自动控制。

3.1.1 可燃性气体检测报警器的结构

可燃性气体报警控制器系统结构如图3-1所示，系统以STC89C52单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警、自动控制等功能。

通过预设气体浓度，MQ2传感器进行检测气体浓度，假如超过预设气体浓度时，将发出声音报警，并自动启动排气装置。

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图3-1 可燃性气体报警控制器系统结构

3.2 STC89C52系列单片机系统结构特点

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[2]。STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚电路如图3-2所示，STC89C52主要性能有以下几点：

(1)与MCS-51单片机产品兼容

(2)8K字节在系统可编程Flash存储器

(3)1000次擦写周期

(4)全静态操作：0Hz～33Hz

(5)三级加密程序存储器

(6)32个可编程I/O口线

(7)三个16位定时器/计数器

(8)八个中断源全双工UART串行通道

(9)低功耗空闲和掉电模式

(10)掉电后中断可唤醒

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(11)看门狗定时器

(12)双数据指针

(13)掉电标识符

图3-2 STC89C52引脚图

3.3 可燃性气体报警控制器的电路设计

3.3.1 A/D转换电路

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图9.8。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因

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此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc—— +5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).

图3-5 A/D转换电路

VIN1采集传感器输出的信号电压信号，当采集的电压超过1.96V时，即表示浓度超过约45%时，系统将发生报警。

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3.3.2 STC89C52单片机接口电路

STC89C52采用PQFP贴片式的封装形式，有40个管脚。根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能，其接口电路主要分为五个部分。STC89C52单片机接口电路如图3-3所示。

图3-6 STC89C52单片机接口电路

(1) 复位模块

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。为可靠起见，电源上电稳定后还要经一定的延时，才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。在本设计中，采用的是阻容RC 上电复位电路，通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。为了保证系统能可靠地复位，RST端上高电平信号必须有足够长的时间。

(2) 系统时钟模块

时钟电路产生单片机的工作时序脉冲，是单片机正常工作的关键。本次设计中采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。在STC89C52的18脚(XTAL1)和19脚(XTAL2)外接12M的晶体，同时并连2个22pF的电容，产生系统时钟。

(3) 显示模块

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由STC89C52的32~39脚以及21~26脚构成浓度显示输出信号。本次设计中采用的是动态显示的方法进行浓度显示。

(4) 声音报警模块

由STC89C5242的11脚(TXD)实现声音报警控制。当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警，同时启动54继电器。

3.3.3 声音报警电路

当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。

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图3-7 声音报警控制电路

声音报警电路如图3-7所示，它是由三极管，继电器，扬声器以及排气电路构成。当实际检测浓度低于设定浓度时，三极管不导通，扬声器以及继电器均不工作，排气电路处于断开状态；当实际检测浓度等于或超过设定浓度时，通过P2.0和P2.1与单片机的连接从而引起电平的变化，P2.0和P2.1都为低电平，三极管导通，在扬声器发出报警声音的同时，继电器也进行工作，而使排气电路形成闭合回路，达到自动进行排气控制的效果。

3.3.4 显示电路

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图3-8 数码管显示电路

数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,其工作原理见图3-9。

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图3-9 数码管结构图

要使数码管显示0—9这10个数字，只要控制其相应的管脚所接发光二极管点亮便可完成。若要使数码管显示一个“3”字，只需控制其“a、b、c、d、g”这几个发光管点亮即可。由于数码管内是没有限流电阻的，在实际应用时，必须对每一段发光管回路中串一限流电阻，否则极容易损坏数码管。本设计中数码管用于显示当前的外界气体浓度。

3.3.5灯光报警

灯光报警电路如图4-7所示，灯光报警电路由R22、LED2（黄色）组成，电阻起限流的作用。当可燃气体浓度小于浓度设定值时，单片机对应引脚输出高电平，无灯光报警；当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚为低电平，进行相应的灯光报警。

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图3-10 灯光报警控制电路

黄灯闪烁时表示当前处于初始化状态，报警器初始化完成后。绿灯不停的进行闪烁表示当前工作正常。