摘要

在居民生活品质不断提升以及燃气普及应用的背景下，天然气的安全监测已成为保障生命与财产安全的重要环节。传统管理方式主要依赖人工巡查，存在反应速度慢、预警不及时等缺陷，难以满足家庭及工业场景对燃气状态实时监控的需求。

本设计采用STC89C52单片机作为核心控制器，构建了一套集多种功能于一体的天然气报警系统。该系统集成MQ-5可燃气体浓度传感器、DS18B20温度传感器、三个独立按键、LCD1602液晶显示屏、ECB02蓝牙模块以及执行单元（包括通风设备和声光报警装置），具备环境参数采集、智能判断与远程交互能力。

系统通过MQ-5传感器持续检测环境中天然气的浓度，一旦数值超过预设阈值，将自动启动排风设备并触发声音与灯光双重报警机制；同时利用DS18B20传感器实时获取环境温度，当温度超出设定上限时，亦会联动开启通风系统并发出警报。用户可通过三个独立按键自定义温度与气体浓度的报警阈值，提升系统的适应性与灵活性。

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LCD1602显示屏用于动态展示当前环境下的温度与可燃气体浓度数据，便于现场查看。此外，系统搭载ECB02蓝牙模块，能够将采集到的信息无线传输至智能手机端，实现数据可视化，并支持通过手机设置系统参数及远程控制通风设备的启停。

此方案显著增强了燃气监测的自动化水平和响应效率，有效降低潜在安全风险，为家庭及工业场所提供了更加可靠的燃气安全保障。同时，其模块化结构与多功能集成特点，也为后续类似监测设备的研发提供了可行的技术路径与实践参考，具备良好的推广应用前景。

关键词：STC89C52；天然气报警器；传感器；安全监测；蓝牙通信；智能预警

ABSTRACT

With the continuous improvement of living standards and the widespread adoption of natural gas, monitoring its safe usage has become critically important for protecting lives and property. Conventional safety management methods rely heavily on manual inspections, which suffer from delayed responses and insufficiently timely warnings, failing to meet the real-time monitoring requirements in both residential and industrial environments.

A smart natural gas alarm system based on the STC89C52 microcontroller is proposed, integrating an MQ-5 gas concentration sensor, a DS18B20 temperature sensor, three independent buttons, an LCD1602 display, an ECB02 Bluetooth module, and actuating devices such as ventilation units and audio-visual alarms. This system enables real-time detection, intelligent alerting, and remote control capabilities.

The MQ-5 sensor continuously monitors natural gas concentration. When levels exceed the threshold, the ventilation system activates and the audio-visual alarm triggers. The DS18B20 sensor measures ambient temperature; if the temperature surpasses the set limit, the fan starts automatically and an alarm is initiated. Threshold values for both gas concentration and temperature can be configured via the three physical buttons, allowing user customization.

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The LCD1602 displays real-time readings of temperature and gas concentration for local observation. Through the ECB02 Bluetooth module, measurement data is wirelessly transmitted to a mobile device, enabling parameter setting and remote control of the ventilation system through a smartphone interface.

This design significantly improves the automation and responsiveness of gas safety monitoring, reduces potential hazards, and provides a reliable solution for household and industrial applications. Furthermore, its architecture offers valuable insights for the development of similar intelligent monitoring systems, demonstrating strong practical applicability.

第 1 章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着天然气在家庭与工业场所中的广泛应用，其泄漏引发的安全事故日益受到关注。为提升燃气使用过程中的安全性，设计一种具备实时监测、智能预警和远程控制功能的天然气报警系统具有重要意义。本系统以STC89C52单片机为核心，结合多种传感器与执行机构，实现对环境中可燃气体浓度及温度的双重监控，能够在超标时自动启动通风设备并触发声光报警，有效降低火灾或爆炸风险，增强环境安全防护能力。

1.2 国内外发展情况

目前，国内外在气体检测领域已取得一定进展。国外部分高端产品集成多种通信方式（如Wi-Fi、ZigBee）和云平台联动功能，具备较高的智能化水平；而国内相关研究多集中于基础传感与本地报警功能，远程交互能力相对薄弱。近年来，随着物联网技术的发展，基于蓝牙等无线通信手段的简易智能监测系统逐渐兴起，成为家用安防设备的重要发展方向。本设计正是在此背景下，融合传感器技术、微控制器控制与短距离无线通信，构建一个低成本、高可靠性的解决方案。

1.3 本文主要研究内容

本文围绕基于STC89C52的天然气报警系统展开设计与实现，主要包括硬件电路搭建、软件程序开发以及系统整体功能验证。重点完成主控芯片选型、MQ-5气体传感器与DS18B20温度传感器的数据采集、LCD1602实时数据显示、按键参数设置、蓝牙模块数据传输与手机端远程控制等功能模块的设计与整合，最终实现集检测、显示、报警、通风联动和无线通信于一体的智能监控系统。

第2章 设计思路与方案论证

2.1 主要元器件选择

2.1.1 主控芯片选择

选用STC89C52作为核心控制器，该芯片属于高性能CMOS 8位微处理器，具备8KB闪存程序存储器和512字节RAM，支持高可靠性EEPROM模拟功能，且抗干扰能力强，适用于工业级环境下的稳定运行。其丰富的I/O接口资源满足多外设连接需求，开发成本低，配套工具成熟，适合本系统的控制逻辑实现。

2.1.2 天然气浓度传感器选择

采用MQ-5气体传感器用于检测环境中液化气、天然气等可燃性气体的浓度。该传感器灵敏度高、响应速度快，通过模拟电压输出反映气体浓度变化，配合AD转换电路可实现精确采样，适用于家庭及小型工业场景的泄漏预警。

2.1.3 温度传感器选择

选用DS18B20数字温度传感器进行环境温度采集。该器件采用单总线协议，仅需一根数据线即可完成通信，布线简单，测温范围宽（-55℃~+125℃），精度可达±0.5℃，非常适合嵌入式系统中对温度的精准监测。

2.1.4 显示模块选择

配置LCD1602液晶显示屏用于实时展示当前环境温度与可燃气体浓度值。该模块可显示两行字符，每行16个字符，接口标准清晰，驱动程序成熟，便于用户直观读取系统状态信息。

2.1.5 蓝牙模块选择

选用ECB02蓝牙通信模块实现系统与移动终端之间的无线数据交互。该模块支持UART串口通信，能够将采集到的温度与气体浓度数据发送至智能手机，并接收来自手机端的参数设定指令与通风开关控制命令，提升系统的智能化与便捷性。

2.1.6 按键模块选择

系统配备三个独立按键，分别用于模式切换、参数加减操作。按键直接接入单片机I/O口，通过上拉电阻保证信号稳定，结构简单、成本低廉，满足本地参数设置的基本需求，如设定气体浓度阈值与温度上限值。

2.2 整体设计方案

系统以STC89C52为核心，协调各功能模块协同工作：MQ-5持续采集天然气浓度信号，DS18B20周期性获取环境温度，主控芯片对数据进行分析处理后，在LCD1602上实时更新显示内容；当任一参数超过预设阈值时，系统立即启动声光报警装置并开启通风设备；同时，用户可通过按键现场调整报警阈值，也可通过蓝牙模块由手机远程下发控制指令。整个系统形成“感知—判断—执行—反馈”的闭环控制机制，确保安全响应及时有效。

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第 3 章 硬件设计

3.1 主控电路模块

主控单元由STC89C52芯片构成，外接11.0592MHz晶振提供系统时钟，复位电路采用按键复位与上电复位结合的方式，保障系统启动稳定性。所有外围模块均通过各自接口与单片机引脚相连，电源部分采用稳压模块供电，确保电压波动不影响系统正常运行。

3.2 天然气浓度传感器电路

MQ-5传感器需接入加热电压与工作电压，其输出端连接至ADC0832模数转换芯片的输入通道，再由ADC0832将模拟量转换为数字信号传送给单片机。电路中加入滤波电容以减少噪声干扰，提高采样准确性。

3.3 温度传感器电路

DS18B20的数据引脚连接至单片机的一个I/O口，并外接4.7kΩ上拉电阻以保证单总线通信的稳定性。由于其通信协议特殊，软件编程中需严格按照时序要求进行读写操作，确保温度数据正确读取。

3.4 显示模块电路

LCD1602采用标准4位数据传输模式，RS、RW、EN控制引脚及D4~D7数据引脚分别连接至单片机对应端口。通过调节对比度电位器可优化屏幕显示效果，背光电源独立供电，支持夜间可视操作。

3.5 蓝牙模块电路

ECB02蓝牙模块通过TXD/RXD引脚与单片机串行口相连，波特率设定为9600bps，实现双向通信。模块通电后自动进入配对状态，成功连接手机后即可进行数据收发，无需额外配置。

3.6 按键模块电路

三个独立按键一端接地，另一端接单片机I/O口并配置内部上拉电阻。当按键按下时产生低电平信号，触发中断或轮询检测机制，识别用户操作意图，完成参数设置或模式切换功能。

3.7 报警与通风驱动电路

声光报警由蜂鸣器与LED组成，通过三极管驱动连接至单片机输出引脚，避免大电流负载影响主控芯片工作。通风设备（如小型风扇）则通过继电器模块控制通断，继电器线圈侧与单片机之间加入光耦隔离，增强系统的电气安全性和抗干扰能力。

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第4章 系统程序设计

4.1 编程软件介绍

系统程序采用Keil uVision5作为开发环境，使用C语言编写代码，利用STC官方烧录工具将编译后的HEX文件下载至单片机中。该平台调试功能完善，支持在线仿真与变量观察，有助于快速定位问题与优化算法逻辑。

4.2 系统主流程设计

系统上电后首先进行初始化操作，包括IO口配置、传感器启动、显示模块清屏、蓝牙模块握手等。随后进入主循环，依次执行气体浓度采集、温度读取、数据显示、阈值比较、报警判断与执行机构控制等任务。若检测到按键动作或蓝牙指令，则转入相应子程序处理设置请求。整个流程以轮询方式运行，保证各功能模块有序协作。

4.3 LCD1602显示模块子流程设计

显示子程序负责定时刷新屏幕内容。每次调用时先定位光标位置，然后依次输出当前温度值与气体浓度百分比。若处于报警状态，则额外显示“ALARM”提示符。为防止频繁刷新造成闪烁，设置固定刷新周期（如每秒一次），并通过缓冲区暂存待显数据，提升显示稳定性。

该系统的实现显著提升了天然气安全监控的自动化程度与响应时效性，减少了人为疏忽带来的潜在风险，不仅为家庭与工业场所提供了可靠的燃气安全保障，也为后续类似气体监测设备的研发提供了可行的技术参考路径，具备良好的实际应用前景。

关键词：STC89C52；天然气报警器；传感器；安全监控；蓝牙通信；智能预警

4.4 独立按键子流程设计

在系统操作中，独立按键用于实现用户对设备的直接控制。该模块通过检测按键引脚的电平变化来判断是否有键被按下，并结合软件消抖机制确保输入信号的稳定性。按键扫描程序以轮询方式运行，当检测到有效触发时，将执行对应的功能指令，如模式切换、参数设置等。

4.5 温度检测模块子流程设计

温度检测模块采用数字温度传感器采集环境温度数据，其通信协议为单总线模式，具有较高的测量精度和抗干扰能力。主控芯片定时发起温度读取请求，获取原始数据后进行单位转换与校准处理，最终将结果传递至显示单元或用于逻辑判断。[此处为图片1]

4.6 ADC模数转换子流程设计

模拟信号需经ADC模块转化为数字量以便MCU处理。本设计中，天然气浓度传感器输出的电压信号接入微控制器的模拟输入通道，系统配置ADC工作模式并启动采样转换流程。转换完成后，数值被读取并用于后续浓度计算与状态分析。

4.7 蓝牙模块子流程设计

蓝牙通信模块负责实现设备与移动终端之间的无线数据传输。上电后模块进入配对模式，成功连接后开始实时发送监测信息，包括气体浓度、温度值及报警状态。接收端可通过专用应用程序查看历史记录并接收异常提醒。[此处为图片2]

第5章 仿真测试

5.1 整体仿真测试

利用Proteus与Keil联合仿真平台搭建完整系统模型，验证各功能模块协同工作的正确性。通过加载编译生成的HEX文件，模拟实际运行环境下的响应行为，确认系统逻辑无误且符合设计预期。

5.2 天然气浓度传感器功能测试

在仿真环境中使用可调电压源模拟传感器输出信号，观察系统是否能准确识别不同浓度等级并作出相应反应，如触发声光报警、启动通风装置等。测试结果显示系统具备良好的灵敏度与判别准确性。

5.3 温度传感器功能测试

通过修改仿真中的温度输入值，检验温度采集模块的数据获取与显示一致性。测试覆盖常温、高温等多种场景，确保读数稳定可靠，误差范围满足应用需求。[此处为图片3]

5.4 显示模块功能测试

测试LCD显示屏对各项参数的刷新效果，验证字符清晰度、对比度调节以及多页面切换功能。在不同工作状态下检查界面布局合理性，确认信息呈现完整且易于识别。

5.5 蓝牙模块功能测试

在虚拟串口环境下测试蓝牙数据发送与接收功能，确认通信协议解析正确，数据帧格式规范，能够稳定传输关键状态信息，未出现丢包或乱码现象。

5.6 按键模块功能测试

对各个独立按键进行功能性验证，测试其在菜单导航、参数调整等操作中的响应情况。仿真过程中模拟连续点击与长按动作，确保系统能正确识别操作意图并执行对应流程。

5.7 报警与通风设备功能测试

设定阈值条件触发报警机制，观察蜂鸣器与LED警示灯的工作状态，同时检测继电器是否正常驱动外部风机。测试证明报警联动逻辑严密，响应及时有效。[此处为图片4]

第6章 实物测试

6.1 整体实物测试

完成硬件组装与程序烧录后，对实际装置进行全面联调测试。设备通电后各模块初始化正常，传感器数据持续更新，人机交互流畅，整体运行稳定，达到预期性能指标。

6.2 天然气浓度传感器功能测试

使用标准气体样本对传感器探头进行暴露测试，记录系统响应时间与报警阈值触发点。实验表明检测灵敏度高，恢复速度快，能够在危险浓度出现时迅速发出警告。

6.3 温度传感器功能测试

在不同室温条件下测量传感器输出，比对万用表实测值与系统显示值，两者偏差较小，说明温度采集部分具有较高的一致性与可靠性。

6.4 显示模块功能测试

实地观察屏幕在强光与弱光环境下的可视性表现，确认背光调节功能有效。长时间运行下未发现花屏、残影等问题，界面信息始终保持清晰可见。

6.5 蓝牙模块功能测试

通过智能手机连接设备蓝牙，测试数据实时上传功能。连接过程顺畅，传输延迟低，断连重连机制健全，用户体验良好。

6.6 按键模块功能测试

对物理按键进行多次按压测试，评估机械寿命与触感反馈。所有按键均能准确注册操作指令，无卡顿或误触发现象，满足日常使用要求。

6.7 报警与通风设备功能测试

模拟高浓度气体环境，验证声光报警器与排气风扇的联动控制。测试中系统快速响应，继电器动作可靠，成功启动通风措施以降低风险。

第7章 总结与展望

7.1 总结

本项目完成了基于单片机的智能安全监测系统的设计与实现，集成了气体检测、温度感知、无线通信、本地显示与自动报警等功能。经过仿真与实物双重验证，系统运行稳定，功能完整，具备较强的实用价值。

7.2 展望

未来可在现有基础上引入更多类型的传感器以扩展监测维度，例如湿度、烟雾或PM2.5检测；同时可结合云平台实现远程监控与大数据分析，进一步提升系统的智能化水平与应用场景适应性。

致谢

感谢指导老师在项目研发期间提供的专业建议与技术支持，同时也感谢实验室同学在调试阶段给予的帮助与协作。

参考文献

[1] 张明远, 李华东. 单片机原理与接口技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2020.
[2] 王志强. 传感器与检测技术应用实例解析[J]. 自动化仪表, 2019, 40(5): 45-49.
[3] 刘伟. 基于蓝牙模块的无线数据传输系统设计[J]. 通信技术, 2021, 54(3): 678-682.
[4] Chen L, Wang H. Design of Gas Detection System Based on STM32[C]. IEEE International Conference on Embedded Systems, 2022: 112-116.

附录

附录一：原理图

包含系统核心电路的完整原理设计图，涵盖主控单元、电源管理、传感器接口、显示驱动及外围通信模块的连接关系。

附录二：PCB

印刷电路板布局图，展示了元器件排布、走线规划与层间连接方式，符合电磁兼容性设计规范。

附录三：主程序

系统主控代码，采用C语言编写，包含初始化配置、任务调度、中断服务、数据处理与外设控制等核心函数模块。