畢業(yè)設(shè)計(jì)單片機(jī)煤氣報(bào)警器

1、目 錄摘 要iabstractii前 言iii第1章 緒 論11.1 課題背景11.2 燃?xì)鈭?bào)警器的概述21.3 課題研究的目的及意義21.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)2第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)要求42.2 設(shè)計(jì)思路42.3 設(shè)計(jì)方案52.3.1方案一52.3.2 方案二62.3.3方案三62.3.4 方案的確定72.4 系統(tǒng)方案組成72.4.1系統(tǒng)三大部分82.4.2系統(tǒng)框圖9第3章系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)103.1 氣體濃度檢測(cè)模塊103.2主控模塊103.3設(shè)置報(bào)警模塊14第4章硬件電路設(shè)計(jì)與分析154.1 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)154.1.1 三端固定式集成穩(wěn)壓器154.1.2 +5v電源電路的設(shè)計(jì)164.2

2、 信號(hào)采集放大電路的設(shè)計(jì)174.2.1氣敏傳感元件特性174.2.2 信號(hào)采集放大電路的設(shè)計(jì)184.3 a/d轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)194.3.1 adc08096的介紹194.3.2 電路具體設(shè)計(jì)方法214.4 存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)224.5 顯示器電路的設(shè)計(jì)234.5.1顯示模塊lcd1602234.5.2 電路設(shè)計(jì)方法234.6 報(bào)警器電路的設(shè)計(jì)244.7 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)254.7.1 鍵盤(pán)的工作原理254.7.2 鍵盤(pán)的識(shí)別方法254.7.3 鍵盤(pán)的工作方式264.8 串口通信電路的設(shè)計(jì)274.8.1 rs-232標(biāo)準(zhǔn)274.8.2 接口信號(hào)229第5章軟件設(shè)計(jì)315.1 單片機(jī)編程3315.2

3、程序框圖和主要程序32第6章實(shí)驗(yàn)調(diào)試356.1 硬件調(diào)試356.2 軟件調(diào)試356.3 調(diào)試結(jié)果35結(jié) 論36致 謝37參考文獻(xiàn)38附錄a39附錄b45附錄c48附錄d48哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文煤氣報(bào)警器摘 要全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶(hù)中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。但是隨著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，由于燃?xì)庑孤┧l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社?huì)，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃

4、氣使用單位及居民用戶(hù)選擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報(bào)警器實(shí)為必要之舉。燃?xì)鈭?bào)警器的核心是氣體傳感器。當(dāng)氣體傳感器遇到燃?xì)鈺r(shí)，傳感器電阻隨燃?xì)鉂舛榷兓?，隨之產(chǎn)生電信號(hào)，供燃?xì)鈭?bào)警器后級(jí)線路處理。經(jīng)過(guò)電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號(hào)，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號(hào)線性化，經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號(hào)，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，燃?xì)鈭?bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并可顯示燃?xì)鉂舛然騿?dòng)外部聯(lián)運(yùn)設(shè)備。本文正是通過(guò)分析目前燃?xì)鈭?bào)警器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。關(guān)鍵詞 煤氣泄漏 煤氣報(bào)警gas alarmabstract the rapid development

5、of the national gas industry, liquefied gas, natural gas, coal gas and other city gas as a clean energy business and urban residents in users has been widely used, and gas industry has great potential. but with the extensive use of gas, due to gas leak caused an explosion, poisoning and fire acciden

6、ts have also occurred to some extent, increased the citys insecurity and instability. in order for gas to better benefit the people, the benefit of the community, to reduce and eliminate all due to gas leak caused the explosion and fire, the gas unit and residential customers use to select a suitabl

7、e indoor gas leak alarm is actually necessary move. gas sensor is the core of combustible gas. when the gas face gas sensor, the sensor resistance change with gas concentration, the resulting electrical signal for processing of combustible gas line after the class. after dealing with electronic circ

8、uit into a voltage proportional to the concentration change signal to be compensated by the linear circuit, the signal linearization, by computer processing, logical analysis, the output of various control signals, that is, when the gas concentration alarm set value , combustible gas audible alarm s

9、ignal can display gas concentration or start an external transport equipment. it is through this analysis of the current status of combustible gas, indoor design fault monitoring alarm system to protect peoples lives and property.keywords gas leak gas alarm前 言當(dāng)今，單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，由單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能化測(cè)控設(shè)備和產(chǎn)品廣泛應(yīng)用

10、到各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。而室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指單片機(jī)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件；軟件是指單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序。只有系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，才可能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程一般包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試幾個(gè)階段。這幾個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段并不是相互獨(dú)立、各自

11、進(jìn)行的，而應(yīng)根據(jù)開(kāi)發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)，交叉、有機(jī)的進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)離不開(kāi)高性能的氣體傳感器。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置；狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來(lái)越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開(kāi)傳感器18。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，用各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、ph值等，以便使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。此次設(shè)計(jì)中所利用到的氣體傳感器就是要測(cè)量煙霧和煤氣濃度的動(dòng)態(tài)信號(hào)，并且利用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將濃度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，

12、實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)與報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)智能控制。本文的室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測(cè)煙霧和煤氣濃度，并且在氣體濃度超過(guò)給定值時(shí)能實(shí)時(shí)報(bào)警。由于煤氣中毒和火災(zāi)是家庭小區(qū)以及礦工企業(yè)常見(jiàn)事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大的危害。為了能減少事故的發(fā)生，提醒人們注意，迫切地需要室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)各種檢測(cè)對(duì)象和大量的測(cè)試點(diǎn)，需要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。而此時(shí)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)不僅具有采集控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)

13、指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次四路巡回檢測(cè)系統(tǒng)正是把a(bǔ)dc0809與at89s51單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，也符合了本設(shè)計(jì)的要求。本人在此次設(shè)計(jì)中主要擔(dān)任了系統(tǒng)的硬件電路圖的設(shè)計(jì)、硬件的焊接和調(diào)試、軟件的設(shè)計(jì)、以及各個(gè)芯片資料查找與整理等工作。設(shè)計(jì)中超出了任務(wù)書(shū)所給的任務(wù)，提出了本室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方案。iii第1章 緒 論1.1 課題背景隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來(lái)越多，對(duì)建筑的防火安全設(shè)計(jì)要求也愈來(lái)愈高。近年來(lái)，全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶(hù)中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速

14、進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。以“西氣東輸”工程為開(kāi)端的大規(guī)模天然氣利用工程的實(shí)施，意味我國(guó)城市燃?xì)鈱⒋筇げ降剡M(jìn)入“天然氣時(shí)代”。我國(guó)天然氣市場(chǎng)將迎來(lái)一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)，城市燃?xì)庑枨蟮闹饕鲩L(zhǎng)點(diǎn)將體現(xiàn)在天然氣上。2000年黨中央國(guó)務(wù)院提出“西部大開(kāi)發(fā)”的重大戰(zhàn)略部署，特別是2002年“西氣東輸”第一期工程正式開(kāi)工，這無(wú)疑為發(fā)展西部地區(qū)的燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)帶來(lái)歷史性的機(jī)遇。西氣東輸工程，在西部?jī)?yōu)勢(shì)資源和東部廣闊市場(chǎng)之間架起了一座“金橋”，西氣東輸工程投入使用后，每年供應(yīng)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)100億立方米天然氣。城市燃?xì)獾钠占芭c應(yīng)用無(wú)疑對(duì)改善城市的環(huán)境質(zhì)量和提高居民的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用

15、，由于燃?xì)庑孤┧l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社?huì)，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩?hù)選擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報(bào)警器實(shí)為必要之舉。“報(bào)警早，損失少”進(jìn)一步說(shuō)明了及時(shí)報(bào)警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦發(fā)生火災(zāi)，提早報(bào)警，可以及時(shí)將火撲滅，以免小火釀成大災(zāi)。目前常用的有感煙、感溫和可燃?xì)怏w火災(zāi)報(bào)警器。像家庭中在使用煤氣、液化石油氣和天然氣等燃料時(shí)，安裝一個(gè)可燃?xì)怏w報(bào)警器，當(dāng)出現(xiàn)漏氣或著火時(shí)，報(bào)警器能夠立即鳴笛報(bào)警，告之主人及時(shí)采取措施。日本早在1980年1月開(kāi)始實(shí)行安裝

16、城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器的法規(guī)，1986年5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國(guó)目前已有7個(gè)州11個(gè)城市通過(guò)立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝一氧化碳報(bào)警器。隨著城市燃?xì)饣臄U(kuò)大，我國(guó)已有北京市、遼寧省、黑龍江省、山西省、哈爾濱市、青島市、大連等省市相繼發(fā)布燃?xì)獍踩芾砦募?，做到政府立法和百姓自身提高安全保護(hù)意識(shí)有機(jī)結(jié)合。煤氣的主要成分是co、氫和烷烴、烯烴、芳烴等。煤氣有毒是因?yàn)槠渲械腸o、芳烴等能與人體中的血紅蛋白結(jié)合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低濃度下也能使人頭暈、惡心及虛脫。一氧化碳（co）為無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)刺激氣體，比重0.967，幾乎不溶于水，不易被活性炭吸

17、附。當(dāng)碳物質(zhì)燃燒不完全時(shí)，可產(chǎn)生co，如人體短時(shí)間內(nèi)吸入較高濃度的co，或濃度雖低，但吸時(shí)間較長(zhǎng)，均可造成急性中毒。co主要來(lái)自取暖燃料，co對(duì)人體的損害主要表現(xiàn)在損害血液輸送氧氣的能力，co與血紅蛋白結(jié)合能力超過(guò)氧和血紅蛋白的結(jié)合能力的200-300倍，當(dāng)co與血紅蛋白結(jié)合形成的碳氧血紅蛋白含量達(dá)到5%時(shí)，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生慢性損害，達(dá)到60%時(shí)就會(huì)昏迷，達(dá)到90%就會(huì)死亡。由于發(fā)生一氧化碳中毒事件的普遍性和隱蔽性，迫切需要一種能夠很好的監(jiān)控室內(nèi)一氧化碳濃度的儀器，并且在一氧化碳濃度過(guò)高時(shí)能夠采取相關(guān)措施防止火災(zāi)的發(fā)生，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。 本文正是通過(guò)分析目前燃?xì)鈭?bào)警器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作室內(nèi)

18、故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。1.2 燃?xì)鈭?bào)警器的概述 首先我們應(yīng)對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的燃?xì)鈭?bào)警器的種類(lèi)有所了解。燃?xì)鈭?bào)警器可分為可燃?xì)怏w檢漏儀（簡(jiǎn)稱(chēng)“檢漏儀” ），可燃?xì)怏w報(bào)警控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)“控制器” ）、可燃?xì)怏w探測(cè)器（簡(jiǎn)稱(chēng)“探測(cè)器” ）、家用可燃?xì)怏w報(bào)警器（簡(jiǎn)稱(chēng)“報(bào)警器” ）四大系列產(chǎn)品。報(bào)警器為居民家庭用的燃?xì)鈭?bào)警器，一般安裝在廚房，遇燃?xì)庑孤r(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。有的報(bào)警器可自動(dòng)開(kāi)啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝狻Ｓ械膱?bào)警器在報(bào)警時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏。 燃?xì)鈭?bào)警器的核心是氣體傳感器，俗稱(chēng)“電子鼻”。當(dāng)氣體傳感器遇到燃?xì)鈺r(shí)，傳感器

19、電阻隨燃?xì)鉂舛榷兓?，隨之產(chǎn)生電信號(hào)，供燃?xì)鈭?bào)警器后級(jí)線路處理。經(jīng)過(guò)電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號(hào)，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號(hào)線性化，經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號(hào)，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，燃?xì)鈭?bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并可顯示燃?xì)鉂舛然騿?dòng)外部聯(lián)運(yùn)設(shè)備（如排風(fēng)扇、電磁閥）。選擇一款優(yōu)質(zhì)的燃?xì)鈭?bào)警器，首先要選擇質(zhì)量過(guò)關(guān)的傳感器。質(zhì)量不過(guò)關(guān)的傳感器，一般16個(gè)月性能就下降，因而失去報(bào)警器的安全性，出現(xiàn)不報(bào)警或誤報(bào)警現(xiàn)象，而一種好的傳感器可連續(xù)使用十幾年，特性也不會(huì)有什么變化。但是，報(bào)警器中的其它電子元件的壽命都是有限，先進(jìn)國(guó)家也規(guī)定燃?xì)鈭?bào)警器的有效期最多為五年。報(bào)警器都存在著

20、檢測(cè)誤差，只有誤差降低在5%以?xún)?nèi)這個(gè)報(bào)警器才符合使用要求。這就要求了煤氣傳感器性能必須符合這個(gè)條件，高精度的傳感器是系統(tǒng)的靈魂。氣體傳感器受濕度、溫度的影響較大，在條件需要的時(shí)候應(yīng)該采用溫度、濕度補(bǔ)償來(lái)提高測(cè)量精度。1.3 課題研究的目的及意義因此設(shè)計(jì)出性能更加可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)已成為市場(chǎng)的需要。目前，現(xiàn)有煤氣檢測(cè)儀器主要是面對(duì)工礦企業(yè)或公共場(chǎng)所的檢測(cè)，價(jià)格高昂，對(duì)家庭也是不適應(yīng)的。因此，本次設(shè)計(jì)所面對(duì)的是廣大居民，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）成本低廉并能對(duì)煙霧和煤氣準(zhǔn)確報(bào)警。（2）該產(chǎn)品無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡(jiǎn)捷。（3）能起到預(yù)防煤氣中毒的效果，

21、使人們高枕無(wú)憂。該產(chǎn)品必須能夠有效預(yù)防廣大農(nóng)村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的發(fā)生，同時(shí)也能夠給城鎮(zhèn)居民安全使用煤氣提供有力的保障。1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù) 本文利用單片機(jī)電路制作室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵的兩個(gè)部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫(xiě)。這也是在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵的問(wèn)題。（1）硬件任務(wù)單片機(jī)室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件主要有3大部分，即濃度檢測(cè)和顯示模塊、主控模塊和設(shè)置報(bào)警模塊。濃度檢測(cè)模塊主要由半導(dǎo)體氣體傳感器qm-n5組成，它是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的元件；顯示部分由lcd1602組成。主控模塊由單片機(jī)及其相關(guān)軟件組成，由程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行控制。設(shè)置報(bào)警模塊主要由鍵盤(pán)和報(bào)警

22、器等組成，這個(gè)模塊是對(duì)報(bào)警煤氣濃度進(jìn)行設(shè)置和濃度過(guò)高的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警處理。硬件的設(shè)計(jì)需要單片機(jī)、模電及其數(shù)電的相關(guān)知識(shí)。在解決這一問(wèn)題的過(guò)程中，需要查閱大量資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，向老師獲取幫助。（2）軟件任務(wù)它的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷處理兩大部分：主程序要完成i/o口，定時(shí)器的初始化及對(duì)中斷輸入的設(shè)定，然后延時(shí)使傳感器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，等待定時(shí)器的中斷；中斷處理程序根據(jù)具體情況需要有相應(yīng)的子程序。要對(duì)程序進(jìn)行多次調(diào)試，分塊編程。對(duì)各個(gè)子程序塊所解決的問(wèn)題要相當(dāng)明確。最后在制作完成硬件電路板后要調(diào)試出設(shè)計(jì)要求的功能。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的

23、硬件電路和軟件程序來(lái)達(dá)到目的。硬件設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。2.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：系統(tǒng)能巡回檢測(cè)四個(gè)不同位置的煙霧和煤氣濃度，把檢測(cè)到的信號(hào)送單片機(jī)處理，處理過(guò)的數(shù)據(jù)送顯示器顯示和送存儲(chǔ)器保存，在煙霧和煤氣濃度達(dá)到設(shè)置值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警。2.2 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)擬按以下思路展開(kāi)研究：（1）根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能

24、，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號(hào)采集放大，信號(hào)處理控制，系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警三個(gè)部分。信號(hào)采集部分即通過(guò)氣體傳感器檢測(cè)室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行必要的放大。信號(hào)處理部分是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入控制器進(jìn)行處理，并將處理過(guò)的信號(hào)送存儲(chǔ)器保存和送顯示器顯示。系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分是通過(guò)預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器報(bào)警實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。（2）依據(jù)上面所說(shuō)的思路，得到如下一些基本的結(jié)論：信號(hào)采集部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的檢測(cè)室內(nèi)氣體濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大部分使用運(yùn)放進(jìn)行比例和反相兩級(jí)放大。信號(hào)處理部分為了實(shí)現(xiàn)精確

25、控制，采用單片機(jī)較為合適。將模擬信號(hào)送a/d模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)處理后送存儲(chǔ)器保存和送顯示器顯示。系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警部分可以考慮采用44鍵盤(pán)設(shè)置初始值和蜂鳴器報(bào)警。根據(jù)對(duì)上面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計(jì)思想框圖如下圖2-1所示：將上述設(shè)計(jì)思想結(jié)合設(shè)計(jì)要求總結(jié)為：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路制作室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)四個(gè)不同位置的煙霧和煤氣濃度進(jìn)行巡回監(jiān)測(cè)；由電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器采集煙霧和煤氣的濃度；采集到的信號(hào)送入a/d模塊完成a/d轉(zhuǎn)換；最后將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；處理過(guò)的數(shù)據(jù)送存儲(chǔ)器進(jìn)行保存以方便調(diào)用；處理過(guò)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)比較，若超過(guò)預(yù)先由鍵盤(pán)設(shè)定的值則觸動(dòng)報(bào)警器報(bào)警；由單片機(jī)處理過(guò)的數(shù)據(jù)都送顯示器或

26、經(jīng)串口接口調(diào)用送電腦進(jìn)行再處理。信號(hào)采集放大信號(hào)處理控制系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警圖2-1 設(shè)計(jì)思想框圖2.3 設(shè)計(jì)方案2.3.1方案一采用單個(gè)傳感器檢測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入a/d芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用at89s51單片機(jī)控制觸動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在液晶顯示器上顯示出來(lái)。分析：此設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但是存在著嚴(yán)重的問(wèn)題。采用單個(gè)傳感器檢測(cè)房間氣體濃度是不合適的。氣體傳感器所測(cè)量的值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。在一段短時(shí)間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動(dòng)變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰。氣體傳感器主要通過(guò)兩個(gè)基本特性-靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)反映傳感器的這種

27、變動(dòng)性。 靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用s表示。（2-1）動(dòng)態(tài)特性是氣體傳感器的特有問(wèn)題，反映氣體傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好的氣體傳感器，其輸出特性曲線隨時(shí)間變化很小。動(dòng)態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用傳遞函數(shù)表征。 （2-2）由此可見(jiàn)，氣體傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性或曲線關(guān)系，要對(duì)氣體傳感器建立一個(gè)準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時(shí)，都忽略氣體傳感器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過(guò)溫度傳感器16測(cè)出環(huán)境的溫度

28、，對(duì)氣體傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對(duì)傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償。氣體傳感器特性總是會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。本設(shè)計(jì)主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。 傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對(duì)氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過(guò)傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定

29、的特性曲線作為基礎(chǔ)，對(duì)不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對(duì)特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來(lái)說(shuō)就是選用兩個(gè)特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個(gè)氣體傳感器a密封代替溫度傳感器，對(duì)另一氣體傳感器b進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償23。由于方案一傳感器測(cè)量精度不高，所以不予采納。2.3.2 方案二采用雙傳感器5，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入a/d芯片中進(jìn)行

30、模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用at89s51單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在顯示器顯示出來(lái)。分析：此設(shè)計(jì)方法雖然解決了傳感器檢測(cè)氣體濃度時(shí)溫度和濕度對(duì)測(cè)量值的影響，但是，在實(shí)際制作的過(guò)程中，需要利用的核心控制芯片必須最少具有4路8位a/d口，氣體和溫度敏感信號(hào)直接由a/d口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。由于本課題要求采用四路巡回檢測(cè)，如果采用本方案那么就需要8個(gè)特性相同的半導(dǎo)體氣體傳感器（4個(gè)密封檢測(cè)氣體濃度，另外4個(gè)做補(bǔ)償），為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行成對(duì)生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常規(guī)的adc0809和單片機(jī)并

31、不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過(guò)大、功耗高、成本太高。單單采用此種方法并不能更好的提高測(cè)量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。由于采用此方案制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過(guò)大、功耗高、成本太高，所以不予采納。2.3.3方案三采用高性能半導(dǎo)體氣體傳感器7，采用四路巡回檢測(cè)的方法檢測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度信號(hào)送入a/d芯片中進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，利用at89s51單片機(jī)控制聲音報(bào)警、鍵盤(pán)輸入、存儲(chǔ)器運(yùn)行，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在lcd顯示器上顯示出來(lái)。分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中

32、給出。通過(guò)搜集信息，提出本次設(shè)計(jì)采用qm-n5型氣體傳感器?，F(xiàn)在特將此傳感器簡(jiǎn)單介紹如下：(1) 特點(diǎn)：qm-n5型氣體傳感器8是以金屬氧化物sno2為主體材料的n型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類(lèi)氣體、烯類(lèi)氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，屬于n型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短。用它做成的報(bào)警器完全可以達(dá)到ul2034標(biāo)準(zhǔn)，不需溫、濕度補(bǔ)償。(2) 工作條件：工作電壓：5v 0.5v靜態(tài)功耗：0.5w(加熱絲冷態(tài)電阻為50 2)環(huán)境條件：溫度-10+50,相對(duì)濕度95%初期穩(wěn)定時(shí)間：15

33、分鐘響應(yīng)時(shí)間：10s恢復(fù)時(shí)間：60s檢測(cè)煤氣濃度范圍：5020000ppm(3)對(duì)一氧化碳反應(yīng)的敏感度14： 圖2-2 系列一氧化碳濃度的條件下rl電壓的振蕩曲線。高濕高溫對(duì)傳感器的影響：根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，此傳感器可承受96%rh相對(duì)濕度、70的環(huán)境條件，但基電平升高。2.3.4 方案的確定 現(xiàn)今半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類(lèi)傳感器時(shí)不必采用溫度、濕度補(bǔ)償7，極大的簡(jiǎn)化了電路和降低了成本。鑒于對(duì)以上三個(gè)方案的對(duì)比分析，方案三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來(lái)設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。2.4 系統(tǒng)方案組成本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它是單片機(jī)在系統(tǒng)檢測(cè)方面的應(yīng)用，是典型的嵌入

34、式系統(tǒng)。通常將滿(mǎn)足海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；而把面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱(chēng)之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機(jī)，通用cpu模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)面對(duì)控制對(duì)象。如傳感信號(hào)輸入、人機(jī)交互操作,伺服驅(qū)動(dòng)等。(2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。(3)能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。 (4)突出控制功能。如對(duì)外部信息的捕捉、對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng)(i/o控制、位操作和轉(zhuǎn)移指令等)。單片機(jī)有惟一的專(zhuān)門(mén)為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿(mǎn)足嵌入式

35、應(yīng)用要求。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿(mǎn)足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。2.4.1系統(tǒng)三大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個(gè)層次。 (1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。(2)單片機(jī)系統(tǒng)10：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng),如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。(3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿(mǎn)足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐?，如前向通道、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤(pán)、顯小器、打印機(jī)等

36、)和串行通信口(rs232)以及應(yīng)用程序等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如圖2-3:以此理解，單片機(jī)室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。其中以at89s51單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說(shuō)明。整個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測(cè)模塊、主控模塊和設(shè)置及報(bào)警模塊。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是單片機(jī)9和qm-n5型氣體傳感器。為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中必須明確三大部分的實(shí)際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開(kāi)。其中，濃度檢測(cè)及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)

37、的功能是將房間中的煙霧和煤氣濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并且將濃度值顯示出來(lái)；主控模塊以單片機(jī)為主，對(duì)其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；設(shè)置及報(bào)警模塊是此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實(shí)現(xiàn)形式最人性化，體現(xiàn)了智能控制，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置報(bào)警濃度值，在檢測(cè)到煙霧和煤氣濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)人機(jī)交互通道應(yīng)用程序串行通信口后向通道前向通道圖2-3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系2.4.2系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由三大部分九個(gè)不同電路組成，系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-4所示：一路傳感器adc0809二路傳感器 單片機(jī)at89s51三路傳感器四路傳感器2k存儲(chǔ)器報(bào)警器44鍵盤(pán)串口通信l

38、cd 5v電源圖2-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1） 信號(hào)采集部分：14路傳感器電路；2） 信號(hào)處理部分：a/d轉(zhuǎn)換電路，2k存儲(chǔ)器電路，lcd顯示電路，串口通信電路，單片機(jī)復(fù)位電路；3） 設(shè)置報(bào)警部分：44鍵盤(pán)電路，報(bào)警器電路。第3章系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.1 氣體濃度檢測(cè)模塊室內(nèi)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用四路巡回檢測(cè)的方法，檢測(cè)器件采用qm-n5型氣體傳感器18檢測(cè)房間氣體濃度，檢測(cè)結(jié)果送入模/數(shù)芯片adc0809中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。目前，氣敏材料的發(fā)展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜，并提高了傳感器的選擇性和敏感性。現(xiàn)有的燃?xì)鈭?bào)警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，并且因

39、催化劑中毒而影響報(bào)警的準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體氣敏材料對(duì)氣體的敏感性與溫度有關(guān)。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達(dá)到峰值。由于這些氣敏材料在需要在較高溫度下(一般大于100)達(dá)到敏感度最好，這不僅要消耗額外的加熱功率，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)。 氣體傳感器的發(fā)展解決了這一問(wèn)題。將氣體傳感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、使用等場(chǎng)所中，及時(shí)檢測(cè)氣體含量，及早發(fā)現(xiàn)泄漏事故。并將氣體傳感器與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，使保護(hù)系統(tǒng)在氣體到達(dá)爆炸極限前動(dòng)作，將事故損失控制在最低。同時(shí)，氣體傳感器的小型化和價(jià)格的降低，使之進(jìn)入家庭成為可能。本設(shè)計(jì)選用了半導(dǎo)體氣體傳感器，半導(dǎo)體氣體傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏

40、材料。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。按照檢測(cè)氣敏特征量方式不同分為電阻式和非電阻式兩種。 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過(guò)檢測(cè)氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來(lái)復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開(kāi)發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。例如：wo3氣體傳感器可檢測(cè)nh3的濃度范圍為5ppm50ppm,zno-cuo氣體傳感器對(duì)200ppm的co非常敏感。 非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體含量而

41、變化的原理工作的。主要有cmos二極管式和結(jié)型二極管式，以及場(chǎng)效應(yīng)管式氣體傳感器。檢測(cè)氣體大多為氫氣、硅烷等可燃?xì)怏w。鑒于上述選擇要點(diǎn)，本文中用到的煙霧和煤氣傳感器必須具備測(cè)量效果好、功耗小、動(dòng)態(tài)特性良好和體積小、重量輕、價(jià)格低廉幾個(gè)主要特征。為此我們選擇qm-n5氣體傳感器。它完全符合上述條件，并且最為主要的特點(diǎn)是此傳感器精度高，無(wú)需溫度補(bǔ)償。這樣不僅簡(jiǎn)化了電路，而且還降低了成本，實(shí)為良好的選擇。3.2主控模塊系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用at89s51單片機(jī)。它的主要功能即是和adc0809芯片一起共同接收檢測(cè)信號(hào)，又可以通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理來(lái)控制外圍電路以及顯示電路。采集信號(hào)經(jīng)過(guò)adc0809

42、處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的信息將通過(guò)單片機(jī)控制，在lcd顯示器上顯示出來(lái)，并且送存儲(chǔ)器。下面來(lái)詳細(xì)介紹一下at89s51單片機(jī)：at89s51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓,高性能cmos8位微處理器,俗稱(chēng)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100次。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at89s51是一種高效微控制器。at89s系列單片機(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。所以本設(shè)計(jì)我們選擇at89s

43、51單片機(jī)作為控制器的核心芯片。下面來(lái)介紹at89s51單片機(jī)13的引腳定義及功能：at89s51引腳圖如圖3-1所示，下面分別介紹其引腳。（1） 主電源引腳vss，vccvss(20腳):接地。vcc(40腳):主電源+5v。（2）外接晶振引腳xtal1（19腳），xtal2(18腳)xtal1：在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。xtal2：在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。圖3-1 at89s51引腳功能圖（3）輸入/輸出引腳p0，p1，p2，p3：p

44、0.0p0.7(3932腳):po是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向i/o端口。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些i/o線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱(chēng)，簡(jiǎn)寫(xiě)為ad0ad7。在eprom編程時(shí)，從p0輸入指令字節(jié)，在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)(驗(yàn)證時(shí)，要外接上拉電阻)。pl.0p1.7(18腳):pl是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在eprom編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入低8位地址。p2.0p2.7(2128腳):p2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址，即a8a15。在對(duì)eprom編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入高8位地址。p3.0p3.7(1

45、017腳):p3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在整個(gè)系統(tǒng)中，這8個(gè)引腳還具有專(zhuān)門(mén)的第二功能，在此，對(duì)p3口相應(yīng)引腳用于控制信號(hào)時(shí)的情況如表3-1所示：表3-1 p3口的引腳功能引腳信號(hào)控制信號(hào)說(shuō)明p3.0rxd串行數(shù)據(jù)輸入p3.1txd串行數(shù)據(jù)輸出p3.2int0外部中斷0p3.3int1外部中斷1p3.4t0定時(shí)器0輸入p3.5t1定時(shí)器1輸入p3.6wr寫(xiě)存儲(chǔ)器信號(hào)p3.7rd讀存儲(chǔ)器信號(hào)（4）控制線（4條）rst：at89s51的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，at89s51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作

46、，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ale/prog：ale 是英文address latch enable的縮寫(xiě)，表示允許地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale 信號(hào)負(fù)跳變來(lái)觸發(fā)外部的8 位鎖存器 (如74ls373)，將端口p0 的地址總線(a0-a7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，ale 引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。當(dāng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，將以1/12 振蕩頻率輸出。ea/vpp：該引腳為低電平時(shí)，則讀取外部的程序代碼 (存于外部eprom 中)來(lái)執(zhí)行程序。因此在8031 中，ea 引腳必須接低電位，因?yàn)槠鋬?nèi)

47、部無(wú)程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用at89s51或其它內(nèi)部有程序空間的單片機(jī)時(shí)，此引腳接成高電平使程序運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)程序指針pc 值超過(guò)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址(如8051/8751/89c51 的pc 超過(guò)0fffh)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器繼續(xù)運(yùn)行。psen：此為program store enable的縮寫(xiě)。訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次psen 信號(hào)。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令時(shí)，不產(chǎn)生psen 信號(hào)，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)，亦不產(chǎn)生psen 信號(hào)。以下是單片機(jī)的工作方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)的工作方式包括：復(fù)位方式，程序執(zhí)行方式，單步

48、執(zhí)行方式，掉電、節(jié)電方式以及eeprom編程和校驗(yàn)方式。1）復(fù)位方式 rst引腳時(shí)復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該在24個(gè)時(shí)鐘周期以上，若時(shí)鐘頻率為6mhz,則復(fù)位信號(hào)至少應(yīng)持續(xù)4us以上，才可以使單片機(jī)可靠復(fù)位。復(fù)位以后，內(nèi)部各寄存器進(jìn)入下列狀態(tài):pc 0000hacc 00hpsw 00hsp 07hdptr 0000hp0p3 ffhip *000000bie 0*000000btmod 00htcon 00htl0 00hth0 00htl1 00hth1 00hscon 00hsbuf 不定pcon 0*0000b復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器pc15的值是0000h

49、說(shuō)明：at89s51單片機(jī)的程序起始位置是在內(nèi)存的0000h，也就是說(shuō)程序的第一條指令必須存入內(nèi)存的0000h單元，程序才可能在復(fù)位后，直接運(yùn)行。只要vcc上升時(shí)間不超過(guò)1ms，通過(guò)在vcc和rst引腳之間一個(gè)10uf電容，rst和vss引腳（即地）之間加一個(gè)10k的電阻，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即打開(kāi)電源就可以自動(dòng)復(fù)位。也可以進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，在vcc和rst引腳之間接一個(gè)按鍵，即可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位電路可以參考圖3-2：圖3-2 單片機(jī)復(fù)位電路2）程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。所執(zhí)行的程序可以放在內(nèi)部rom、外部rom或者同時(shí)放在內(nèi)外rom中。若程序全部放在外部rom中（

50、如對(duì)8031），則應(yīng)使ea=0；否則，可令ea=1。由于復(fù)位后pc=0000h,所以程序的執(zhí)行總是從地址0000h開(kāi)始的。但真正的程序一般不可能從0000h開(kāi)始存放，因此，需要在0000h單元開(kāi)始存放一條轉(zhuǎn)移指令，從而使程序跳轉(zhuǎn)到真正的程序入口地址。3）單步執(zhí)行方式 單步執(zhí)行方式4是使程序的執(zhí)行處在外加脈沖（通常用一個(gè)按鍵產(chǎn)生）的控制下，一條指令一條指令地執(zhí)行，即按一次鍵，執(zhí)行一條指令。序返回至少要在執(zhí)行一條指令后才能重新進(jìn)入中斷。將外加脈沖加到int0輸入，平時(shí)為低電平。通過(guò)編程規(guī)定int0信號(hào)是低電平有效，因此不來(lái)脈沖時(shí)總是處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。在中斷服務(wù)程序中要安排這樣的指令：jnb p3

51、.2；若int0=0，不往下執(zhí)行jb p3.2；若int0=1，不往下執(zhí)行reti； 返回主程序執(zhí)行一條指令4）掉電和節(jié)電方式 在掉電方式下，單片機(jī)的耗電降至最小。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，vpd應(yīng)該保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間（約10ms），以保證振蕩器的起振和達(dá)到穩(wěn)定，然后重新開(kāi)始正常工作。在掉電方式下，cpu暫時(shí)不工作，但也隨時(shí)準(zhǔn)備恢復(fù)工作。因此，內(nèi)部時(shí)鐘并不停止工作，只是去cpu的路徑被門(mén)電路切斷，但仍然供應(yīng)中斷電路、定時(shí)器和串行口。cpu的狀態(tài)被完整地保持起來(lái)，如pc,sp,psw,acc等都保持節(jié)電前地狀態(tài)，各i/o口也保持節(jié)電前地邏輯值，ale和psen均進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)。3.3設(shè)置報(bào)警模塊此模塊主要由鍵盤(pán)

52、、報(bào)警器5組成(相關(guān)的電路設(shè)計(jì)下一章將會(huì)有詳細(xì)的介紹)。氣體濃度經(jīng)過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置后送單片機(jī)記錄，在采集到的氣體濃度過(guò)大，超過(guò)安全值時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，提供報(bào)警服務(wù)。模塊的結(jié)構(gòu)框圖如下圖3-3所示： 報(bào)警器 p3.3 單片機(jī) int0 p2口圖3-3 設(shè)置報(bào)警模塊的結(jié)構(gòu)框圖至此，本系統(tǒng)三大模塊功能和設(shè)計(jì)思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，并且給出設(shè)計(jì)電路。第4章硬件電路設(shè)計(jì)與分析每一個(gè)設(shè)計(jì)都要以一定的知識(shí)為基礎(chǔ)，知識(shí)的多少在一定程度上決定了設(shè)計(jì)出來(lái)的東西的好壞程度。這些知識(shí)包括硬件知識(shí)和軟件知識(shí)。硬件知識(shí)用來(lái)設(shè)計(jì)硬件電路，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、放大、轉(zhuǎn)換和顯示等功能。軟件知識(shí)用來(lái)設(shè)計(jì)芯片

53、處理數(shù)據(jù)的先后順序，數(shù)據(jù)的獲得途徑以及對(duì)數(shù)據(jù)做怎樣的處理和顯示功能等等。當(dāng)然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設(shè)計(jì)也需要對(duì)芯片進(jìn)行編程序。本章將介紹本次設(shè)計(jì)用到的一些基本知識(shí)和主要芯片。電路的設(shè)計(jì)都在建立在理論的基礎(chǔ)上。理論依據(jù)的成立與否在很大程度上決定了電路設(shè)計(jì)的成功，也整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的根本。為此，本章將著重介紹硬件電路的設(shè)計(jì)以及分析。4.1 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路所組成，以前電子設(shè)備中的穩(wěn)壓器大都由分立元器件構(gòu)成，現(xiàn)在研制成功了各種集成穩(wěn)壓器。下面簡(jiǎn)單介紹本設(shè)計(jì)使用到的電源器件：三端固定式集成穩(wěn)壓器。4.1.1 三端固定式集成穩(wěn)壓器

54、三端固定式集成穩(wěn)壓器有78xx/79xx系列，它是固定輸出電壓式穩(wěn)壓器，片內(nèi)有過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，外接兩只電容就可以簡(jiǎn)單構(gòu)成穩(wěn)壓電路，如圖4-1所示。當(dāng)輸入電壓vi、輸出電流io或溫度變化時(shí)，輸出電壓vo可保持不變；另外當(dāng)輸出短路，可使輸出電流io現(xiàn)在為一定值；若集成穩(wěn)壓器過(guò)熱，則穩(wěn)壓器停止工作，也避免穩(wěn)壓器遭到損壞。圖中c1用以抑制過(guò)電壓，抵消因輸入線過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的電感效應(yīng)并消除自激振蕩；c2用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，即瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)。c1，c2一般選用滌綸電容，容量為 0.1 f 或者幾個(gè) f。安裝時(shí)，兩電容應(yīng)直接與三端集成穩(wěn)壓器的引腳根部相連。 vi 1 3 vo vin vout gnd c1 c2 2圖4-1 三端固定式集成穩(wěn)壓器78xx系列為正電壓輸出，79xx為負(fù)電壓輸出，各自有100ma、500ma和1.5a三個(gè)系列。78xx系列和79xx系列的管腳配置不同，在接線的時(shí)候要特別注意。如上圖所示，三端穩(wěn)壓器的三端是輸入端vi、輸出端vo和公共端com，使用公共端通常接地。它的內(nèi)部有效電路由調(diào)整管、保護(hù)電路、控制電路和誤差放大器等組成，vo-