氣敏傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1 引言1.1 研究背景及意義 隨著工業(yè)化的發(fā)展，我們的生活及環(huán)境的污染迅速增加，環(huán)境中存在著各種有毒有害、易燃易爆氣體，從家用液化石油氣、城市煤氣以及天然氣到工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、交通工具中排放的各種氣體都在不斷地污染環(huán)境，影響我們的生存。 此外，我國燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天然氣已成為多數(shù)家庭的燃料。這些氣體在帶給人們能源、生產(chǎn)生活提供方便的同時(shí)，它們本身是有毒、易燃的化學(xué)物品，給燃?xì)馊季哂脩羯钌盥裣铝嘶馂?zāi)、中毒、爆炸的隱患。一方面人類對(duì)各種有毒有害氣體的承受能力是有限的，另一方面易燃易爆氣體超過一定濃度，就可能引起火災(zāi)或爆炸，造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。但是人的感官缺乏對(duì)各

2、種有害氣體的感知，特別是對(duì)有害氣體濃度定量的判斷能力，因而研制能夠感知并判別氣體的種類和測量氣體濃度的儀器系統(tǒng)就變得尤為必要。傳統(tǒng)的分析氣體組分和濃度的方法是以色譜法為代表的各種化學(xué)計(jì)量方法，盡管其測量精度很高，但操作手續(xù)繁雜，實(shí)驗(yàn)周期長，無法對(duì)有毒、有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、瞬時(shí)檢測，而氣體傳感器則滿足這種要求，并且在人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)減少氣體爆炸、火災(zāi)等事故已經(jīng)發(fā)揮著越來越大的作用。再者，計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，其設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品體積小、成本低、運(yùn)用靈活、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣，在各種惡劣的

3、環(huán)境下都能可靠工作?；诖耍菊撐臄M設(shè)計(jì)一種便攜式的氣敏傳感器的信號(hào)采集系統(tǒng)，用于監(jiān)測空氣中天燃?xì)鈿怏w的濃度，并且能將氣體的濃度顯示在液晶上，當(dāng)空氣中的可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到一定的警界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而能夠保障人們自身和生產(chǎn)與生活的安全。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 氣敏傳感器及單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的的兩大核心內(nèi)容。 從技術(shù)發(fā)展的角度看，根據(jù)使用傳感器原理的不同，常見的氣體檢測儀器儀表各自有適用氣體及應(yīng)用領(lǐng)域，新技術(shù)新產(chǎn)品正在成為未來氣體檢測儀器儀表的主流。未來一段時(shí)間，使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價(jià)格優(yōu)勢仍會(huì)占據(jù)部分低端市場。目前國內(nèi)用于燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測的也主要是這兩種氣體傳感器1。隨著現(xiàn)

4、代科技的迅猛發(fā)展，lsi（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)也在不斷提高，為單片微型機(jī)的進(jìn)步提供了有力的技術(shù)支持。目前的單片微型機(jī)早已從最初的四位、八位字長，發(fā)展到十六位、三十二位字長。技術(shù)的發(fā)展，集成度的提高，使得單片微型機(jī)在社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大、越來越多的作用?，F(xiàn)在的社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是信息的時(shí)代。許多的模擬技術(shù)都被數(shù)字技術(shù)所取代，這意味著智能化的各種設(shè)備及產(chǎn)品會(huì)越來越多的呈現(xiàn)在我們的眼前。在我國當(dāng)前，智能化的儀器儀表是單片微型機(jī)應(yīng)用最多，最為活躍的領(lǐng)域。而且隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，電阻型氣敏傳感器的工作穩(wěn)定性也相對(duì)提高，成本也在不斷的下降2。 這兩項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為氣體檢測

5、系統(tǒng)的發(fā)展提供了更好的平臺(tái)。1.3 研究目標(biāo)及內(nèi)容本文所設(shè)計(jì)的氣敏傳感器的信號(hào)采集系統(tǒng)采用單片機(jī)at89c51，本設(shè)計(jì)能將在測試環(huán)境中的氣體傳感器輸出的模擬電壓通過a/d轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)at89c51中進(jìn)行處理后通過液晶顯示，通過設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)檢測到的濃度達(dá)到或者超過設(shè)定值時(shí)，用單片機(jī)控制發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時(shí)打開喇叭發(fā)出聲音報(bào)警，來達(dá)到報(bào)警的目的。 系統(tǒng)以mq-4氣體傳感器和at89c51 單片機(jī)為核心, 設(shè)計(jì)氣體濃度信號(hào)采集系統(tǒng)。完成以下內(nèi)容：(1)研究天然氣氣體傳感器的基本工作原理，并選擇一個(gè)可供設(shè)計(jì)的具體型號(hào)，給出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)；(2)設(shè)計(jì)與所選傳感器匹配的放大、采集、存儲(chǔ)電路，要求

6、確定具體的放大倍數(shù)、采樣速率、采樣時(shí)間、進(jìn)而確定采樣容量；(3)設(shè)計(jì)報(bào)警電路并控制顯示天然氣氣體濃度；(4)繪制測試系統(tǒng)原理圖和pcb圖。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和報(bào)警功能系統(tǒng)。要求能實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)空氣中的天然氣氣體的濃度，并在濃度超某一臨界值時(shí)具有報(bào)警功能。在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)采集系統(tǒng)的主要功能就是快速準(zhǔn)確的檢測被測氣體中天然氣的含量，通過lcd顯示屏將天然氣濃度顯示出來并且存儲(chǔ)，當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定門限值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。為了實(shí)現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器及其適配電路模塊、a/d轉(zhuǎn)換電路模塊、單片機(jī)控制模塊、lcd液晶顯示模塊、聲光報(bào)警單元、存儲(chǔ)模

7、塊，供電模塊這幾部分。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖 系統(tǒng)工程流程：氣體信號(hào)檢測電路由氣敏傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從檢測電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后再送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理分析，看是否超過某個(gè)預(yù)設(shè)值，如果超過則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路，反之則為正常狀態(tài)；同時(shí)顯示天然氣濃度并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 被測環(huán)境復(fù)位電路時(shí)鐘電路 單 片 機(jī) 電 路 顯示電路a/d轉(zhuǎn)換電路 氣敏傳感器及其適配電路報(bào)警電路存儲(chǔ)模塊 供電電路 圖2.1 硬件設(shè)計(jì)框圖2.3 氣體傳感器的選型2.3.1 氣體傳感器介紹氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件:一個(gè)氣體傳感器可以是單功能的

8、，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)完整的氣體傳感器都必須具備以下條件3： (1)能選擇性地檢測某種單一氣體，而對(duì)共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)； (2)對(duì)被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度；(3)對(duì)檢測信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(4)長期工作穩(wěn)定性好； (5)使用壽命長； (6)制造成本低，使用與維護(hù)方便。常見氣體傳感器簡介4 （1）半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏

9、度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器依據(jù)其電阻隨氣體含量的不同而變化的特征來檢測氣體。非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則利用其電流或電壓隨氣體含量的變化來檢測氣體，主要有mos二極管式和結(jié)型二極管式及場效應(yīng)管式。 （2）固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生電阻，測量其形成電動(dòng)勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎

10、打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 （3）接觸燃燒式氣體傳感器 當(dāng)易燃?xì)怏w接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300400的高溫，此時(shí)若與氣體接觸，氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升,通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道氣體的濃度。（4） 高分子氣體傳感器 利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得

11、到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對(duì)特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它氣體傳感器的不足。 （5）電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性氣

12、體檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 （6）熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 （7）紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行氣體測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考?xì)怏w。在測量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)氣體濃度

13、的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測器ndir (non-dispersive ir )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來。 不同的氣體吸收不同波長的ir，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量co和co2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹細(xì)怏w(如氫)不吸收電磁譜中ir部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 常見氣體傳感器可檢測氣體種類： 由于氣體的種類繁多，一種類型的氣體傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質(zhì)的氣體。例如氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要檢

14、測各種還原性煙霧，如co、h2、c2h5oh、ch3oh等。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測無機(jī)氣體，如o2、co2、h2、cl2、so2等。 表2.1 各種氣體傳感器可檢測的氣體種類傳感器種類coco2h2s nh3hcnhclco cl2ci2 nox so2o2ch4c3h2h2h2o半導(dǎo)體氣體傳感器固體電解質(zhì)傳感器接觸燃燒式傳感器電化學(xué)式傳感器高分子電解質(zhì)氣體傳感器 注：好 不太好 2.3.2 氣體傳感器的選定 天然氣中含甲烷（94.36），氮?dú)?3.029)，乙炔（1.94），丙烷（0.246），氫氣（0.245），其他氣體（0.18）,可見主要成分是甲烷氣體。根據(jù)系統(tǒng)檢測氣體種類的

15、要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器。 使用接觸燃燒式氣敏傳感器，其探頭的阻緩及中毒,是不可避免的問題。阻緩是當(dāng)在氣體與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定

16、，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體氣敏傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。 經(jīng)過對(duì)比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格

17、便宜。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為氣體信息采集部分的核心。半導(dǎo)體氣體傳感器之所以能得到迅速的發(fā)展，除靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的優(yōu)點(diǎn)外，更由于它可以與大規(guī)模集成電路、微機(jī)處理、計(jì)算機(jī)結(jié)合起來。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計(jì)選用mq-4型氣敏感器，這種型號(hào)的傳感器具備一般半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 傳感器及其適配電路3.1.1 mq-4傳感器介紹5 mq-4 氣體傳感器特點(diǎn)：l 在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)甲烷，天然氣有很高的靈敏度；l 對(duì)乙醇，煙霧的靈敏度很低；l 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；l 長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，成本低廉；

18、l 簡單的驅(qū)動(dòng)電路。 主要用于家庭用氣體泄漏報(bào)警器;工業(yè)用可燃?xì)怏w報(bào)警器;便攜式氣體檢測器。 表3.1 mq-4傳感器標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注vc回路電壓15vacordcvh加熱電壓5.0v0.2vacordcrl負(fù)載電阻可調(diào)rh加熱電阻313室溫ph加熱功耗900mw 表3.2 mq-4傳感器環(huán)境條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注tao使用溫度-1050tas儲(chǔ)存溫度-2070r相對(duì)濕度小于95% ro2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性最小值大于 表3.3 mq-4傳感器靈敏度特性符號(hào)參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注rs敏感體表面電阻10k-60k(5000ppm ch4

19、)適用范圍： 300-10000ppm天然氣(r1000ppm/r500ppm ch4)濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度： 202 vc:5.0v0.1v相對(duì)濕度： 65%5% vh: 5.0v0.1v預(yù)熱時(shí)間不少于24小時(shí) 表3.4 mq-4傳感器結(jié)構(gòu) 部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金（au）3測量電極引線鉑（pt）4加熱器鎳鉻合金（ni-cr）5陶瓷管三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼（sub316）7卡環(huán)鍍鎳銅材（ni-cu）8基座膠木9針狀管腳鍍鎳銅材（ni-cu） 圖3.1 mq-4氣敏元件的外形和結(jié)構(gòu)圖 mq-4氣敏元件的外形和結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，由微型al2o3陶瓷管，sno

20、2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。傳統(tǒng)測量電路如圖3.2所示。 圖3.2 mq-4氣敏元件的傳統(tǒng)測試電路 圖3.3 mq-4型氣敏元件的靈敏度特性圖3.3給出了mq-4型氣敏元件的靈敏度特性，其中溫度：20、相對(duì)濕度：65%、氧氣濃度21%、rl=20k。rs=元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。ro=元件在潔凈空氣下的電阻值。 圖3.4 mq-4型元件的溫濕度特性 圖3.4給出了mq-4型氣敏元件的溫濕度特性，其中ro：20，33%rh條件下

21、，1000ppm甲烷中元件電阻；rs：不同溫度，濕度下，1000ppm甲烷中元件電阻。 靈敏度調(diào)整：mq-4型氣敏元件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。根據(jù)建議用5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器。 3.1.2 傳感器連接電路 在本系統(tǒng)中，我們采用的是mq-4電阻型甲烷氣體傳感器，當(dāng)含有甲烷的氣體被mq-4氣體傳感器表面吸附時(shí)，傳感器的電阻值將發(fā)生變化，隨著氣體濃度的增大，傳感器的電阻值降得越低。氣敏傳感器在常溫下施加5v的加熱電壓，傳感器便可以得到約250的溫度，此時(shí)傳感器對(duì)氣體敏感性較好。但外界溫度若發(fā)生變化，將導(dǎo)致敏感膜的溫度在25

22、0為基準(zhǔn)的溫度變化，那么傳感器所給出的信號(hào)將是一個(gè)帶著溫度干擾的信號(hào)。為了減小包括溫度干擾信號(hào)在內(nèi)的諸多干擾信號(hào)，本課題擬采用橋路法信號(hào)測量電路的方法，其示意圖如下67。 圖3.5 傳感器橋式連接示意圖用兩個(gè)mq-4以及兩個(gè)rc=60k的溫度補(bǔ)償電阻構(gòu)成橋路進(jìn)行測試，氣體傳感器的敏感電阻變化范圍為10k-60k，橋式電路的輸出計(jì)算公式為 （3.1） rxg-傳感器敏感電阻的變化值； rb-受溫度影響電阻的變化值； rx-氣敏傳感器的敏感膜電阻值。 由式3.1計(jì)算得橋式電路的輸出范圍為03.57v。3.1.3 ad623介紹ad623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3v+12v)下提

23、供滿電源幅度的輸出，ad623 允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下，ad623被設(shè)置為單位增益；外接電阻后，ad623 可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1000 倍。ad623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(ac cmrr)而保持最小的誤差，線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達(dá)200hz 時(shí)仍保持恒定而受到抑制。雖然ad623在單電源方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但當(dāng)它工作于雙電源(2.56v)時(shí),仍能提供優(yōu)良的性能。低功耗(3v時(shí)1.5mw) 、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出。其引腳排列如圖3.6所示。 圖3.6 ad623引腳圖 圖3.7

24、為ad623 的原理圖。輸入信號(hào)加到作為電壓緩沖器的pnp晶體管上，并且提供一個(gè)共模信號(hào)到輸入放大器，每個(gè)放大器接入一個(gè)精確的50k的反饋電阻，以保證增益可編程。差分輸出為 （3.2） 然后差分電壓通過輸出放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閱味穗妷骸?腳的輸出電壓以5 腳的電位為基準(zhǔn)進(jìn)行測量。基準(zhǔn)端(5腳)的阻抗是100k，在需要電壓/電流轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中僅僅需要在5腳與6腳之間連接一只小電阻。+vs和-vs接雙極性電源(vs=2.5v6v)或單電源( + vs =3.0v12v，-vs=0)?？拷娫匆_處加電容去耦。去耦電容最好選用0.1f的瓷片電容和10f 的鉭電解電容。不同方式的接線圖如圖3.8（a，b)所示8

25、。ad623 的增益g 由rg 進(jìn)行電阻編程，或更準(zhǔn)確的說，由1 腳和8 腳之間的阻抗來決定。rg 可以由以下公式計(jì)算。 （3.3） 圖3.7 ad623原理圖 a 雙電源供電 b 單電源供電 圖3.8 ad623供電電路連接3.1.4 信號(hào)調(diào)理電路 將雙極性信號(hào)加到單電源模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc) 上通常是件很困難的事情, 因?yàn)檫@要將雙極性信號(hào)范圍變換成adc 的允許輸入范圍，而ad623正好可以滿足這個(gè)轉(zhuǎn)換條件，此外，綜合考慮輸入阻抗，溫漂，共模抑制比，線性度以及價(jià)格等因素，決定采用儀用放大器ad623。其與橋式電路輸出的連接如下圖所示。 圖3.9 信號(hào)調(diào)理電路橋式電路的輸出為03.57v，為了

26、防止輸出電壓過小被地吞沒，放大器基準(zhǔn)電壓接+1v，它通過對(duì)5v的電壓進(jìn)行分壓而得到。增益為默認(rèn)的單位增益，即不外接電阻，則通過放大電路后輸出電壓范圍為14.57v。3.2 主控電路3.2.1 at89c51芯片介紹 at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工

27、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其管腳圖如下圖所示。 圖3.10 at89c51外形及管腳圖 at89c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram,32個(gè)i/o口線，兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷機(jī)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51可降至0hz的靜輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止cpu的

28、工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位9。3.2.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路單片機(jī)內(nèi)部每個(gè)部件想要協(xié)調(diào)一致的工作，必須在統(tǒng)一口令，即時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。單片機(jī)的時(shí)序就是cpu在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了保證各個(gè)部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格地按照時(shí)序進(jìn)行工作。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)由兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部時(shí)鐘方式：at89c51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸

29、入端和輸出端，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器通常取30pf左右，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩器有微調(diào)作用。石英晶體選擇范圍最高可選24mhz,它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的振蕩頻率，晶體振蕩的頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行的速度也就快。在本系統(tǒng)中選擇的是12mhz。其連接電路如下。 圖3.11 單片機(jī)時(shí)鐘電路3.2.3 單片機(jī)復(fù)位電路89系列單片機(jī)與其它微處理器一樣，在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從rst引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且震蕩期穩(wěn)定后，如rs

30、t引腳上有一個(gè)高電平并維持兩個(gè)機(jī)器周期，則cpu就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。本機(jī)采用手動(dòng)按鍵復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位組合，上電自動(dòng)復(fù)位是在加電瞬間電容通過充電來實(shí)現(xiàn)，在通電瞬間，電容c通過電阻r充電，rst端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位是指通過接通一按鈕開關(guān)，是單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)上電運(yùn)行后，若需要復(fù)位，一般通過手動(dòng)復(fù)位來實(shí)現(xiàn)。由于at89c51屬于cmos型，在rst端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，外接電容使用1uf。 圖3.12 單片機(jī)復(fù)位電路3.2.4 單片機(jī)控制電路連接系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制,選用at89c51單片機(jī).該單片機(jī)為atmel

31、公司的產(chǎn)品,其指令系統(tǒng)完全與8031/8051兼容,內(nèi)帶4k字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng),便于程序的調(diào)試修改和保密,在本設(shè)計(jì)中各管腳的功能如下:1)p0口的功能:p0口與lcd1602的雙向數(shù)據(jù)端相連，傳輸命令及數(shù)據(jù)。2)p1口的功能:p1口與adc0809的數(shù)據(jù)輸出口相連，接收ad轉(zhuǎn)換結(jié)果。3)p2口的功能:p2.0端與adc0809的start和ale相連，用以啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換，且將8路地址鎖存；p2.1端與adc0809的eoc端連接，用來檢測轉(zhuǎn)換是否完成；p2.2端與adc0809的oe端相連,用以允許將ad轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，讓單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；p2.7端用作系統(tǒng)燈光報(bào)警信號(hào)控制端，低電平有效；

32、p2.3端用作系統(tǒng)聲音報(bào)警信號(hào)控制端，低電平有效；p2.4p2.6端接lcd1602的rs、rw、e三端，控制液晶顯示。4)p3口的功能:p3.4接adc0809的clock端，用定時(shí)器來控制產(chǎn)生500khz時(shí)鐘信號(hào)以驅(qū)動(dòng)adc0809；p3.2接存儲(chǔ)芯片的scl端，控制存儲(chǔ)芯片的串行時(shí)鐘輸入；p3.3接存儲(chǔ)芯片的sda端，用于控制單片機(jī)與存儲(chǔ)芯片之間的數(shù)據(jù)交換。3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.3.1 adc0809芯片介紹 由傳感器采集回來的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行分析處理，所以需要a/d轉(zhuǎn)換電路。a/d轉(zhuǎn)換器按其工作方式，轉(zhuǎn)換速度，轉(zhuǎn)換精度等情況，可滿足不同的使用場合和要求

33、。按工作原理不同a/d轉(zhuǎn)換器可分為兩大類：(a) 積分型，這類轉(zhuǎn)換器先將模擬量轉(zhuǎn)換成中間變量，再將中間變量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，國內(nèi)外在此類產(chǎn)品中主要是低速a/d轉(zhuǎn)換器。(b) 比較型，這種轉(zhuǎn)換器是將模擬量與基準(zhǔn)電壓直接進(jìn)行比較，再轉(zhuǎn)換相應(yīng)的數(shù)字量。其又可分為逐次逼近型、跟蹤比較型、并行比較型、串行比較型。其中逐次逼近型是目前應(yīng)用最為廣泛的中高速a/d轉(zhuǎn)換器，其最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率較快，而且在售價(jià)、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率三個(gè)指標(biāo)之間容易取得的較好的平衡。本課題擬采用逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器adc0809。逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位依次開始逐位試探比較。開始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換

34、時(shí)，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。adc0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。它由8路模擬開關(guān)、8位a/d轉(zhuǎn)換器，三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3.13所示。 圖3.13 adc0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)

35、框圖 其主要特性：1）8路輸入通道，8位a/d轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位; 2） 具有轉(zhuǎn)換起停控制端; 3） 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640khz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500khz時(shí)）; 4） 單個(gè)+5v電源供電; 5） 模擬輸入電壓范圍0+5v，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn); 6） 工作溫度范圍為-40+85攝氏度;7） 低功耗，約15mw。 adc0809各引腳功能如下:l in0in7：8路模擬量輸入端。l d0d7：8位數(shù)字量輸出端。l adda、addb、addc：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。l ale：地址鎖存選通信號(hào)，由低至高電平時(shí)，把三位地址信號(hào)送入通道號(hào)地址鎖存器并經(jīng)

36、譯碼得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。 l start：a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，加入正脈沖后，a/d轉(zhuǎn)換開始進(jìn)行。 l eoc：a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)換開始后，eoc信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，eoc返回高電平。l oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。l clk：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640khz。l ref（+）、ref（-）：基準(zhǔn)電壓輸入端,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。l vcc：電源電壓，由于是cmos芯片，允許的電壓范圍較寬，可以是+5+15v。l gnd：接地。 圖3.14 adc0809

37、引腳圖 adc0809的時(shí)序圖如下。 圖3.15 adc0809時(shí)序圖 在ale=1期間，模擬開關(guān)的地址存入地址鎖存器；在ale=0期間，地址被鎖存。輸入啟動(dòng)信號(hào)start的上升沿復(fù)位adc0809，下降沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換，eoc為輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，正在轉(zhuǎn)換時(shí)為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為1。oe為輸出允許控制端，在轉(zhuǎn)換完成時(shí)用來打開輸出三態(tài)門，以便從adc0809輸出這次轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.3.2 adc0809與單片機(jī)連接電路設(shè)計(jì) adc0809與89c51單片機(jī)連接可采用查詢方式，也可采用中斷方式。采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，eoc線作為cpu的中斷請(qǐng)求輸入線。cpu響應(yīng)中斷后，中斷服務(wù)程序中使oe線變?yōu)楦唠?/p>

38、平，以提取a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。采用查詢法傳送數(shù)據(jù)時(shí)89c51應(yīng)對(duì)eoc線查詢它的狀態(tài)：若它為低電平，表示a/d轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，則89c51應(yīng)當(dāng)繼續(xù)查詢；若查詢到eoc變?yōu)楦唠娖?，則給oe線送一個(gè)高電平，以便提取a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 由于adc0809內(nèi)部有一個(gè)8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可認(rèn)為是并行i/o接口芯片。因此，adc0809可以直接和89c51接口，在本設(shè)計(jì)中采用查詢法連接。其連接電路如下。 圖3.16 adc0809與89c51連接電路3.4 存儲(chǔ)模塊3.4.1 采樣容量的確定及存儲(chǔ)器選擇 氣體濃度變化是一個(gè)較為緩慢變化的信

39、號(hào)，所以本設(shè)計(jì)中取采樣頻率為f=1hz，則對(duì)應(yīng)的采樣周期ts=1/f=1s，即1s采樣一次。在本設(shè)計(jì)中使系統(tǒng)可以存儲(chǔ)12小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)，則預(yù)計(jì)采樣容量=12*60*60=43200byte。普通的存儲(chǔ)器，在掉電時(shí)需要備用電池供電，并需要在硬件上增加掉電檢測電路，存在電池不可靠及擴(kuò)展存儲(chǔ)芯片占用單片機(jī)過多口的缺點(diǎn)，因此采用i2c總線接口的串行e2prom器件可很好地解決掉電數(shù)據(jù)保存問題，且硬件電路簡單。所以在這兒選用at24c系列的存儲(chǔ)器，由存儲(chǔ)容量來看，選擇at24c512（存儲(chǔ)容量為65536byte）可以滿足要求10。3.4.2 存儲(chǔ)電路at24c512是atmel公司生產(chǎn)的64kb串行電可

40、擦除的可編程存儲(chǔ)器。該芯片的主要特點(diǎn)如下：采用i2c總線設(shè)計(jì)與1mhz(5v)、400khz(2.7v)、100kz(1.8v)i2c總線兼容，內(nèi)部有512頁，每一頁為128字節(jié)，存儲(chǔ)容量為65536byte；任一單元的地址為16位，地址范圍為00000ffffh；單電源，讀寫電壓為1.8v5.5v；數(shù)據(jù)可保存40年；寫保護(hù)功能，當(dāng)wp為高電平時(shí)，進(jìn)人寫保護(hù)狀態(tài)；cmos低功耗技術(shù)，最大寫入電流為3ma；自動(dòng)定時(shí)的寫周期，采用8引腳封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊，存儲(chǔ)量大特點(diǎn)。 其管腳描述如下表。 表3.5 at24c512管腳描述管腳號(hào)管腳名稱功能12a0a1這些輸入腳用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址，當(dāng)

41、這些腳懸空時(shí)默認(rèn)值為0。當(dāng)使用24c512 時(shí)最多只可連接4個(gè)器件。3nc懸空 5 sda雙向串行數(shù)據(jù)輸人輸出端。用于存儲(chǔ)器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，sda是一個(gè)開漏輸出引腳，可與其它開漏輸出或集電極開漏輸出進(jìn)行線接。 6 scl串行時(shí)鐘輸入端。通常在其上升沿將sda上的數(shù)據(jù)寫人存儲(chǔ)器，而在下降沿從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)并送往sda。7wp寫保護(hù)輸入端。當(dāng)wp為高電平時(shí)，存儲(chǔ)器處于寫保護(hù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)禁止寫入；當(dāng)wp為低電平時(shí)所有地址都能寫入，這個(gè)管腳已經(jīng)被內(nèi)部下拉。8vcc電源端4 gnd地 其管腳圖如下。 圖3.17 at24c512管腳圖 at24c512支持i2c總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，i2c總線協(xié)議規(guī)定

42、，任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器，數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的。at24c512是作為從器件被操作的，主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的模式。 i2c總線協(xié)議即是總線上的所有的操作都是由sda和scl兩個(gè)腳位的狀態(tài)來確定的，共有四個(gè)狀態(tài)：開始，停止，數(shù)據(jù)以及應(yīng)答，圖3.18描述了四個(gè)狀態(tài)的時(shí)序圖。 圖3.18 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 i2c總線協(xié)議定義如下：（1）只有在總線空閑時(shí)才允許啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送；（2）在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許有跳變。時(shí)鐘線為高電平時(shí)，

43、數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被看作總線的起始或停止信號(hào)。 i2c總線上各信號(hào)的具體說明：（1）起始信號(hào)：時(shí)鐘線保持高電平期間數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為i2c總線的起始信號(hào)。（2）停止信號(hào)：時(shí)鐘線保持高電平期間數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為i2c總線的停止信號(hào)。（3）應(yīng)答信號(hào)：即認(rèn)可信號(hào)，主機(jī)寫從機(jī)時(shí)每寫完一字節(jié)，如果正確從機(jī)將在下一個(gè)時(shí)鐘周期將數(shù)據(jù)線（sda）拉低，以告訴主機(jī)操作有效。在主機(jī)讀從機(jī)時(shí)正確讀完一字節(jié)后，主機(jī)在下一個(gè)時(shí)鐘周期同樣也要將數(shù)據(jù)線（sda）拉低，發(fā)出認(rèn)可信號(hào)，告訴從機(jī)所發(fā)數(shù)據(jù)已經(jīng)收妥。 由于at24c512沿襲了at24c系列的接口特性，因此與單片機(jī)的連接也可沿襲傳統(tǒng)方法。一般

44、a0、a1、wp 接vcc或gnd，scl、sda接到單片機(jī)的i/o口，即可實(shí) 現(xiàn)單片機(jī)對(duì)at24c512的操作。 其與單片機(jī)的連接電路如下。 圖3.19 存儲(chǔ)電路連接圖3.5 報(bào)警電路與lcd顯示3.5.1 聲光報(bào)警電路 報(bào)警電路采用聲光報(bào)警，選用蜂鳴器和發(fā)光二級(jí)管，因?yàn)樽兓男盘?hào)更能引起人們的注意，所以報(bào)警電路設(shè)計(jì)中當(dāng)濃度值超過預(yù)設(shè)值時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就以一定的頻率開始發(fā)聲，同時(shí)紅燈開始閃爍；當(dāng)氣體濃度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警電路處于截止?fàn)顟B(tài)，即不工作11。由上一章可知，天然氣的主要成分是甲烷，它在空氣中的爆炸極限為5%15%，則設(shè)置報(bào)警點(diǎn)為爆炸下限lel的15%，即甲烷濃度達(dá)到0.75%時(shí)

45、就啟動(dòng)報(bào)警電路，根據(jù)情況選擇電壓門限約為3.6v(其對(duì)應(yīng)的濃度為7300ppm)。其電路連接如下。 圖3.20 聲光報(bào)警電路3.5.2 lcd顯示目前使用的顯示器主要有l(wèi)cd(液晶顯示器)和led(發(fā)光二極管顯示器)，這兩種顯示器的共同點(diǎn)是工作電壓低、體積小、壽命長、制造工藝簡單成本低廉、配置靈活、可靠性高，與單片機(jī)接口方便。與led相比，lcd顯示有功耗小及顯示字符多的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用lcd1602來實(shí)現(xiàn)顯示天然氣濃度，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5*7或者5*11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。16

46、02采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其管腳圖下圖所示。 圖3.21 lcd1602 管腳圖其中各管腳功能如下： 第1腳：vss為電源地 第2腳：vdd接5v電源正極 第3腳：v0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高。 第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第5腳：rw為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第6腳：e(或en)端為使能(enable)端。 第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。其與單片機(jī)的連接如下圖。 圖3.22 液晶顯示電路圖

47、3.6 供電模塊 由于整個(gè)系統(tǒng)屬于便攜式的，所以他需要有自己的供電電源。綜合系統(tǒng)各模塊來看，需要有+5v的供電。本設(shè)計(jì)中采用+12v的干電池經(jīng)過固定式三端穩(wěn)壓器lm7805從而得到+5v的電壓12。其電源連接電路如圖3.25所示，并由去耦電容、開關(guān)、7085穩(wěn)壓器及電源指示燈組成。直流12v經(jīng)過電容濾波，7805集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的+5v電源，用一個(gè)發(fā)光二極管指示燈指示電源狀態(tài)。電路安全穩(wěn)定可靠，測試電壓為+5v，并且在12v和5v電路中引線排針，以供日后使用。 圖3.23 供電電路 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)c語言4.1.1 單片機(jī)c語言主要特點(diǎn)c語言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，

48、在國際上相當(dāng)流行，它既可以用來編寫計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)程序，也可以用來編寫一般的應(yīng)用程序。以前計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件主要用匯編語言編寫，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)更是如此，由于匯編語言的可讀性和可移植性都較差，采用匯編語言編寫單片機(jī)應(yīng)用程序，不但周期長，而且調(diào)試和排錯(cuò)也比較困難。為了提高編制單片機(jī)應(yīng)用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，采用高級(jí)語言無疑是一種最好的語言，c語言既具有一般高級(jí)語言的特點(diǎn)，又能直接對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力也較強(qiáng)，許多以前只能采用匯編語言來解決的問題都可以用c語言來解決?；赾語言的特點(diǎn)，用c語言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的必然趨勢。用c 編寫程序比匯編更符合人們

49、的思考習(xí)慣，開發(fā)者可以擺脫與硬件無必要的接觸，更專心的考慮功能和算法而不是考慮一些細(xì)節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時(shí)間。c語言具有良好的程序結(jié)構(gòu),適用于模塊化程序設(shè)計(jì)，因此采用c語言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)，首先要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將功能模塊化，由不同的模塊完成不同的功能，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)，還可增強(qiáng)可讀性和移植性13。 在實(shí)際單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，程序結(jié)構(gòu)一般均采用如下結(jié)構(gòu)：#include /*頭文件說明部份*/電子園51單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)pq*hw)a&c3unsigned char x1，x2； /*全局變量聲明部份*/fl5a:g6j!r-e%q

50、e mm87636function1( ) /*功能函數(shù)定義部份*/電子園51單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng);fx.q3|sl zo&mn87636main()*|2y|w6ht$t$f87636 inti,j; /*整型變量聲明部份*/電子園51單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)+vh2p$j|v,g*d6v.j function1(); /*功能函數(shù)說明部份*/電子園51單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)v8e-k1a yj4.1.2 單片機(jī)c語言與標(biāo)準(zhǔn)c語言的區(qū)別由于現(xiàn)在越來越多的產(chǎn)品都采用單片機(jī)開發(fā)，所完成的計(jì)算和控制工作也日趨復(fù)雜，但是單片機(jī)系統(tǒng)是一種資源十分有限的系統(tǒng)，這主要表現(xiàn)在程序存儲(chǔ)器資源的不足，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)如何使用好這些有限的資源就顯得十分重要。用c語言編程雖然具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但是生成的代碼相對(duì)要長，要是編程技術(shù)不好，生成的代碼甚至有可能比匯編語言生成的代碼長幾倍，因此對(duì)編程者來說，應(yīng)該注意到單片機(jī)c語言和一般意義上的標(biāo)準(zhǔn)c語言的區(qū)別，對(duì)程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。4.1.3 算法設(shè)計(jì)問題單片機(jī)c語言和標(biāo)準(zhǔn)c語言存在著很大差別，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行c語言程序設(shè)計(jì)時(shí)由于不必考慮程序代碼的長短，只需考慮程序功能實(shí)現(xiàn)，但是在單片機(jī)上進(jìn)行c語言程序設(shè)計(jì)就必