目 录
一、 引言 1
（一） 矿井安全监测系统的发展背景 1
（二） 矿井安全监测系统的国内外研究现状 1
（三） 本文主要研究内容及设计目标 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控芯片的选择 3
（二） STM32F103单片机介绍 3
（三） AD转换概述 6
（四） ADC0832模数转换器介绍 6
（五） MQ-4甲烷浓度传感器介绍 8
（六） 显示器概述 8
三、 硬件系统设计 10
（一） 硬件结构框图设计 10
（二） STM32单片机最小系统设计 10
（三） MQ-4甲烷浓度传感器和ADC0832芯片电路设计 11
（四） 报警电路设计 12
（五） 显示器与单片机电路设计 12
四、 软件系统设计 14
（一） 软件系统流程图设计 14
（二） MQ-4甲烷浓度传感器和ADC0832模数转换流程设计 15
（三） ADC0832转换流程设计 15
（四） 显示器工作流程设计 16
总结 18
致谢 19
参考文献 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
引言
矿井安全监测系统的发展背景
矿井安全隐患主要是由于空间内弥散的甲烷气体引起的，矿井的安全需要严格控制甲烷浓度才能得到保障，而甲烷检测在电子技术发展成熟之后就变得简单而快捷起来，在过去对于甲烷的检测完全依赖化学作用，对于甲烷气体浓度的检测往往涉及到多个化学反应式和多种试剂的参与，因此不但工序繁琐并且带有一定的危险性。而随着微电子技术、控制技术以及传感器技术的迅猛发展，电化学技术由此产生，这是一种借助半导体技术，将以特殊性质的半导体材料加入到电子线路中，从而能够表现出一定的化学现象，这种化学现象的结果是以电的形式（电压、电流或者电磁）进行输出，从而控制器去测量该电学量，从而形成一套自
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甲烷的检测完全依赖化学作用，对于甲烷气体浓度的检测往往涉及到多个化学反应式和多种试剂的参与，因此不但工序繁琐并且带有一定的危险性。而随着微电子技术、控制技术以及传感器技术的迅猛发展，电化学技术由此产生，这是一种借助半导体技术，将以特殊性质的半导体材料加入到电子线路中，从而能够表现出一定的化学现象，这种化学现象的结果是以电的形式（电压、电流或者电磁）进行输出，从而控制器去测量该电学量，从而形成一套自动的化学测量系统，这就是电化学技术，它必须依靠电子线路以及控制芯片的作用才能发挥作用，本文的甲烷检测仪就是一种典型的电化学测量系统，它以MQ-4型传感器作为甲烷的敏感元件，用于检测甲烷气体的浓度，并通过电压值大小的形式来表征甲烷浓度的大小，从而单片机系统去采集电压值大小就能直接得到环境中甲烷浓度的具体值。甲烷气体在自然界的分布非常广泛，很多常见的气体中都有这种成分，如沼气、天然气中，甲烷是其主要成分，甲烷在工业上也被称为“瓦斯”，它是过去多起瓦斯爆炸的主要罪魁祸首，由于甲烷在物理上表现为无色无味，因此当它弥散在空气中或者矿井中时，不容易被人发现，必须依靠特殊的检测仪器才能检测到它的存在，然而当它在空气中积累到一定的浓度时，一触及明火立即引起爆炸，很多小矿井的瓦斯爆炸多数是由于这一原因造成的。目前人们对于甲烷的检测多依靠造价较昂贵的甲烷检测仪器来完成，这种仪器不但体型较为庞大并且其操作面板上的按键较多，操作起来非常复杂，这也是导致许多小煤矿企业所不能接收的主要原因之一，因此设计出一种便于手携并且操作简便的甲烷检测仪成为了许许多多企业或者家庭的新要求，由于甲烷也是家用天然气的主要成分，因此在家居生活中，天然气泄漏也是一种不易被察觉的危险现象，为了避免这种危害的发生，简易的、使用方便的甲烷浓度检测仪也是家庭的必备工具。综合上述多种原因，结合了本人大学期间对专业知识的学习，选用了目前市面上较为流行的MQ-4型甲烷浓度传感器作为检测机制的核心，并配合了一款性能较高主控芯片作为控制核心，设计一款具有自动检测功能的甲烷浓度检测仪。
矿井安全监测系统的国内外研究现状
目前国内外对于甲烷检测仪的已经研究出了多种成熟的办法，由于目前单片机技术已经非常完善，并且传感器的功能和特性也在朝着多样性的方向发展，其体积和大小正在不断接近嵌入式和袖珍型，因此甲烷检测仪也在不断被技术人员所完善。在前不久的世界大学生电子设计大赛上，有一组参赛作品针对甲烷检测提出了新的观点，他们不但将甲烷检测模块嵌入到手机内部，更结合了手机的GSM模块通过短信将实时测到的甲烷浓度发送出去，从而更加方便地实现了对甲烷浓度的监视。
本文主要研究内容及设计目标
本文主要结合了大学期间掌握的单片机以及电子电路知识，设计了一款能够自动检测甲烷浓度的检测仪。为了使得本设计实现最大的智能化，选用了单片机作为本系统的主控核心，并配备了显示屏和报警器等模块。为了能够使检测仪能够手携，本设计尽量完善线路布局，从而不断减小PCB板的面积，使得硬件系统的体积最小化，并实现以下目标：
能够实现快速的甲烷浓度检测；
检测结果显示在液晶屏上；
当甲烷浓度超过安全阀值时，立即报警；
安全阀值可通过按键设置。
方案选择及元器件介绍
主控芯片的选择
方案一：选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作为内核，这种性能优良的内核结构使得其对数据处理的能力显得非常完善和高速，在一些需要处理大量数据的场合，如高像素液晶屏、MP3等应用将显得非常有优势。其优势已经无以言表了，然而在学生试验中，其缺点也是不可忽略的，STM32的性能之所以这么强大，要靠用户对其繁多寄存器的熟练配置，然而对于普通学生来说，这将变得捉襟见肘，如果没有相关STM32开发经历的学生，在面对这些寄存器时将无从下手。
方案二：选择8位单片机中的51单片机作为控制系统的主控芯片，所谓51单片机是指那些片内采用MCS—51架构作为内核的单片机，如美国ATMEL公司的AT89C51、AT89C52、AT89S51以及AT89S52，中国宏晶公司生产的STC89C51、STC89C52、STC12系列等，它们都是采用51内核，只是片内资源不同的经典51单片机。采用51单片机作为控制系统有两大好处，一是51单片机内部需要操控的寄存器较少，非常适合初学者和学生使用，容易完成系统的设计；而是51单片机采用串口进行程序的下
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