基于單片機(jī)控制的一氧化碳報(bào)警器的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、引 言.3 1 緒 論.4 1.1 課題背景.4 1.2 一氧化碳報(bào)警器的概述.5 1.3 課題研究的目的及意義.5 1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù).6 2 2 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì).6 2.1 設(shè)計(jì)要求.6 2.2 初始方案.7 2.2.1 系統(tǒng)方案的選擇.8 2.2.2 系統(tǒng)方案的確定.10 2.3 系統(tǒng)組成.10 2.3.1 一氧化碳報(bào)警器系統(tǒng)的三大部分.11 2.3.2 系統(tǒng)各個(gè)模塊功能說明.12 2.3.3 系統(tǒng)功能擴(kuò)展.13 3 硬件電路設(shè)計(jì).13 3.1 設(shè)計(jì)使用的基本知識(shí)介紹.13 3.2 芯片介紹4及相關(guān)電路模塊設(shè)計(jì).14 3.2.1 主控電路原理.14 3.2.2 電源電路.18 3

2、.2.3 傳感器的選擇及電路.20 3.2.4 事故處理電路的設(shè)計(jì).23 3.2.5 顯示電路的設(shè)計(jì).25 3.2.6 計(jì)算機(jī)串口通信的技術(shù)與其標(biāo)準(zhǔn) .28 3.3 設(shè)計(jì)的硬件電路.34 4 軟件部分.35 4.1 單片機(jī)編程.35 4.1.1 軟件部分設(shè)計(jì)的功能.35 4.1.2 程序框圖和主要程序介紹.36 4.2 上位機(jī)（PC 機(jī)）編程.38 4.2.1 VB 下串行通信的方法.38 4.2.2 串行通信的控件 MSComm 及其使用方法.38 5 系統(tǒng)制作及調(diào)試.40 5.1 系統(tǒng) PCB 板的設(shè)計(jì).40 5.1.1 確定 PCB 的大小.40 5.1.2 布局.40 5.1.3 布線

3、.40 5.2 硬件調(diào)試.41 5.2.1 檢測元器件.41 5.2.2 檢測各個(gè)引腳信號.41 5.3 軟件調(diào)試.41 6 結(jié)論.42 謝 辭.43 參考文獻(xiàn).44 附錄 1.45 附錄 2.52 附錄 3.55 附錄 4.56 附錄 5.57 引 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)開發(fā)的智能化測控設(shè)備和產(chǎn) 品廣泛應(yīng)用到各個(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。而此次 的氣體濃度檢測系統(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/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

4、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)開發(fā)的過程中，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)的開發(fā)過程一般包括系 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)開發(fā)階段并不 是相互獨(dú)立、各自進(jìn)行的，而應(yīng)根據(jù)開發(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)氣體濃度檢測離不開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)換成電信號的裝置。隨

5、著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量 越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器2。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自 動(dòng)化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各個(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量一氧化碳?xì)怏w濃度的動(dòng)態(tài)信號，并且利用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 將濃度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測與事故處理功能，實(shí)現(xiàn)智能控制。 本文的一氧化碳報(bào)警器就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測一氧 化碳?xì)怏w濃度，并且在氣體濃度超過給定值時(shí)能采取相關(guān)措施。由于一氧化碳中毒是 家庭小區(qū)以及礦工企業(yè)常見事故

6、，給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的危害。為了能減 少事故的發(fā)生，提醒人們注意，迫切需要一氧化碳報(bào)警設(shè)備。 隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，面對各種檢測對象和大量的測試點(diǎn)，需要利 用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機(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)測控。而此時(shí)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)一氧化碳報(bào)警不僅具有采集控制方便、 簡單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采集點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高系統(tǒng)的可 利用性。此次三路巡回檢測系統(tǒng)正是把 ADC0809 與 8051 單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn) 了三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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

7、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)書所給的任務(wù)，提出了本一氧化碳報(bào)警器在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng) 用方案。 1 緒 論 1.1 課題背景 隨著國家經(jīng)濟(jì)的提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來越多，對建筑的防火安 全設(shè)計(jì)要求也愈來愈高。近年來，全國燃?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?。以“西氣東輸”工程為開端 的大規(guī)模天然氣利用工程的實(shí)施，意味我國城市燃?xì)鈱⒋筇げ降剡M(jìn)入“天然氣時(shí)代” 。 我國天然氣市場將迎來一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)，城市燃?xì)庑枨蟮?/p>

8、主要增長點(diǎn)將體現(xiàn)在天 然氣上。2000年黨中央國務(wù)院提出“西部大開發(fā)”的重大戰(zhàn)略部署，特別是2002年 “西氣東輸”第一期工程正式開工，這無疑為發(fā)展西部地區(qū)的燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)帶來歷史性的 機(jī)遇。西氣東輸工程，在西部優(yōu)勢資源和東部廣闊市場之間架起了一座“金橋” ，西氣 東輸工程投入使用后，每年供應(yīng)長三角地區(qū)100億立方米天然氣。城市燃?xì)獾钠占芭c應(yīng) 用無疑對改善城市的環(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 氣的廣泛應(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)

9、的爆炸及火災(zāi)事故，各燃?xì)馐褂脝挝患熬用裼脩暨x 擇一種適合的燃?xì)鈭?bào)警器實(shí)為必要之舉。 “報(bào)警早，損失少” ，進(jìn)一步說明了及時(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 月開始實(shí)行安裝城市煤氣、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。美國目前已有 7 個(gè)州 11 個(gè)城 市通過立法，規(guī)定

10、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龅秸⒎ê桶傩兆陨硖岣甙踩Ｗo(hù)意識(shí)有機(jī)結(jié)合。 一氧化碳（CO）為無色、無味、無臭、無刺激氣體，比重 0.967，幾乎不溶于水， 不易被活性炭吸附。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，均可造成急性中毒。CO 主要來自取暖燃料的燃 燒，CO 對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 過氧和血紅蛋白的結(jié)合能力的 200-300 倍，當(dāng) CO 與血

11、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 15。 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。 本文正是通過分析目前燃?xì)鈭?bào)警器的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作一氧化碳報(bào)警器，保障人們 的生命財(cái)產(chǎn)安全。 1.2 一氧化碳報(bào)警器的概述 首先我們應(yīng)對國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的燃?xì)鈭?bào)警器的種類有所了解。燃?xì)鈭?bào)警器可分為可 燃?xì)怏w檢漏儀（簡稱“檢漏儀” ）,可燃?xì)怏w報(bào)警控制器（簡稱“控制器” ） 、可燃?xì)怏w 探測器（簡稱“探測

12、器” ） 、家用可燃?xì)怏w報(bào)警器（簡稱“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，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“電子鼻”。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，供燃?xì)鈭?bào)警器后級線路處理。經(jīng)過 電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補(bǔ)償，使信號線性化， 經(jīng)微機(jī)處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，燃?xì)?報(bào)警

13、器發(fā)出聲光報(bào)警信號并可顯示燃?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)量過關(guān)的傳感器。質(zhì)量不過關(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)警器都存在著檢測誤差，只要當(dāng)著誤差降低在 5%以內(nèi)這個(gè)報(bào)警器才符合使用要 求。這就要求了一氧化碳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、

14、濕度補(bǔ) 償來提高測量精度。 1.3 課題研究的目的及意義 設(shè)計(jì)出性能更加可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的程控一氧化碳報(bào)警器。 目前，現(xiàn)有一氧化碳檢測儀器主要是面對工礦企業(yè)或公共場所的檢測，價(jià)格高昂， 對家庭也是不適應(yīng)的。因此，本次設(shè)計(jì)所面對的是廣大居民，其優(yōu)點(diǎn)在于： （1）成本低廉并能對一氧化碳準(zhǔn)確報(bào)警。 （2）該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便 簡捷。 （3）能起到預(yù)防一氧化碳中毒的效果，使人們高枕無憂。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 全使用天然氣提供有力的保障。 1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù) 本文利用單片機(jī)電路制

15、作程控一氧化碳報(bào)警器。設(shè)計(jì)過程中最關(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。這也是在設(shè)計(jì)過程中需要解決的最關(guān)鍵的問題。 （1）硬件問題 程控一氧化碳報(bào)警器的硬件主要有3大部分，即濃度檢測及顯示模塊、主控模塊和 報(bào)警及事故處理模塊。濃度檢測模塊主要由燃?xì)鈧鞲衅鹘M成，它是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵 的元件。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。事故處理 模塊主要由蜂鳴器和排氣扇等組成，這個(gè)模塊是對燃?xì)鉂舛冗^高的時(shí)候進(jìn)行緊急處理。 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)。在解決這一問題的過程中，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）軟件問題 它的軟件設(shè)計(jì)主

16、要包括主程序和中斷處理兩大部分：主程序要完成IO口，定時(shí) 器的初始化及對中斷輸入的設(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。要對程序進(jìn)行多次調(diào)試， 分塊編程。對各個(gè)子程序塊所解決的問題要相當(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。 2 2 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和 軟件程序來達(dá)到目的。 硬件設(shè)計(jì)是通過對設(shè)計(jì)要求的分析，對各種元器件的了解，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。它包括對各種元器

17、件的功能和接法的了解，以及對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)的報(bào)警器應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：報(bào)警器需在一氧化碳濃度達(dá)到 100ppm 時(shí)系統(tǒng)應(yīng)啟 動(dòng)報(bào)警，2min 報(bào)警無效后系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)排氣、關(guān)閉電磁閥切斷氣源；系 統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,先啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng),然后啟動(dòng)電磁閥供給煤氣。 具體要實(shí)現(xiàn)如下功能： （1）系統(tǒng)要求設(shè)置正常工作狀態(tài)，除正常工作狀態(tài)外，電磁閥要求處于關(guān)閉狀態(tài)， 以切斷煤氣通道，防止煤氣外泄。 （2）在非正常工作狀態(tài)下，當(dāng)室內(nèi)一氧化碳的濃度達(dá)到100ppm 時(shí)系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)音 樂報(bào)警，

18、若2min 報(bào)警無效，系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)排氣、關(guān)閉電磁閥切斷氣源。 （3）系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，先啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，然后啟動(dòng)電磁閥供給煤 氣。 2.2 初始方案 本設(shè)計(jì)擬按以下思路展開研究： （1）根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號接收，信號處理，信 號控制和信號響應(yīng)四個(gè)部分。 信號采集接收部分即通過一氧化碳傳感器檢測房間氣體濃度，并將這種變化量 轉(zhuǎn)化成電壓或電流等模擬量的變化。 信號處理部分是將接收部分得到的電壓或電流等變化進(jìn)行必要的放大，為后一 部分信號控制提供準(zhǔn)備。 信號控制部分是通過一預(yù)定控制方式等實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)確操作。 信號響應(yīng)是通過事故處理部分和顯示部分

19、實(shí)現(xiàn)控制部分的要求。 （2）對上述四個(gè)部分進(jìn)行分析，得到如下一些基本的結(jié)論： 信號接收部分為了能準(zhǔn)確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用傳感器敏感器件，為使 其實(shí)有效的檢測房間中氣體濃度，必須選用高溫一氧化碳傳感器。 信號處理部分應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選用電荷放大，或比較器等裝置，這部分電路 將包含在傳感器接口電路中。 控制部分為了實(shí)現(xiàn)精確控制，采用單片機(jī)較為合適。 信號響應(yīng)可以考慮采用排風(fēng)扇調(diào)節(jié)房間中一氧化碳?xì)怏w濃度，并且需要對電磁 閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w的排出量。 在實(shí)現(xiàn)控制功能的單片機(jī)與響應(yīng)過程的 LED 顯示管之間應(yīng)該有接口電路以實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)功能。 根據(jù)對上面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計(jì)思想框圖

20、如下圖 2.1 所示： 圖 2.1 設(shè)計(jì)思想框圖 將上述設(shè)計(jì)思想結(jié)合設(shè)計(jì)要求總結(jié)為：程控一氧化碳報(bào)警器采用三路巡回檢測的 方法，通過高溫一氧化碳?xì)怏w傳感器檢測房間氣體濃度，檢測結(jié)果經(jīng)過高精度運(yùn)放器 放大后送入 ADC0809 模/數(shù)芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；利用單片機(jī)進(jìn)行控制，控制聲音報(bào) 警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在 LED 數(shù)碼顯示管上 顯示出來。 2.2.1 系統(tǒng)方案的選擇 鑒于此系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出方案進(jìn)行分析。 方案一：方案一：采用單個(gè)傳感器檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大 器放大后送入模/數(shù)芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 MCS51 單片機(jī)控制聲

21、音報(bào)警以及控 制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在 LED 數(shù)碼顯示管上顯示出來。 分析：此設(shè)計(jì)雖然簡單，但是存在著嚴(yán)重的問題。采用單個(gè)傳感器檢測房間氣體 濃度是不合適的。氣體傳感器所測量的值經(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兩個(gè)基本特性-靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來反映傳感器的這 種變動(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題，反映氣體傳感器對隨時(shí)間變化的輸入響應(yīng)特

22、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，氣體傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡單的線性或曲線關(guān)系，要對氣體 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，采取一定的措施對其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過 溫度傳感器測出環(huán)境的溫度，對氣體傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對傳 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 0 lim x ydy S xdx 報(bào)警器要能夠有效

23、實(shí)現(xiàn)對環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測量的準(zhǔn)確性， 必須對氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。由于本次課題要求檢測一氧化碳 濃度超過 100ppm 時(shí)報(bào)警提示，而氣體傳感器在測量氣體濃度大于 60ppm 時(shí)，環(huán)境濕度 的變化對一氧化碳傳感器特性的影響較小，故忽略對傳感器濕度修正。那么主要考慮 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氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然 簡單，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)償方式通過傳

24、感器的溫度 特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對不同的工作 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，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問題，提出采用雙傳 感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個(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 且對傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償12。 由于本設(shè)計(jì)方案傳感器測量精度不高，所以不予采納。 方案二：方案二：采用雙傳感

25、器，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測房間氣體濃度，將檢測的到濃 度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入模/數(shù)芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 MCS51 單片機(jī) 控制聲音報(bào)警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在 LED 數(shù) 碼顯示管上顯示出來。 分析：此設(shè)計(jì)方法雖然解決了傳感器檢測氣體濃度時(shí)溫度和濕度對測量值的影響， 但是，在實(shí)際制作的過程中，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。由于此 次課題要求采用三路巡回檢測，如果采用本方案那么就需要 6 個(gè)特性相同的一氧化碳 氣體傳感器（3 個(gè)密封檢測氣體濃

26、度，另外 3 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)對傳感器進(jìn)行成對生產(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 的提高測量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。所以不采用方案二?，F(xiàn)今傳感器技術(shù)的飛速 發(fā)展，設(shè)計(jì)出了性能更佳，使用范圍更廣的氣體傳感器。通過搜集信息，提出本次設(shè) 計(jì)采用 TP-2 型高溫一氧化碳傳感器。特將此傳感器介紹如下： (1)特點(diǎn)：TP-2 高溫型一氧化碳傳感器由 SnO2多晶體及適當(dāng)添加混合劑燒結(jié) 而成。具有微

27、珠式結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)振蕩響應(yīng)，極好的選擇性和良好的環(huán)境適應(yīng) 能力，應(yīng)用電路簡單，本質(zhì)安全等特點(diǎn)。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：3.5V6.5V 靜態(tài)功耗：15mW 環(huán)境條件：溫度-10+50,相對濕度95% 初期穩(wěn)定時(shí)間：15 分鐘 檢測一氧化碳濃度范圍：02000ppm (3)對一氧化碳反應(yīng)的敏感度： 圖 2.2 系列一氧化碳濃度的條件下 RL電壓的振蕩曲線。 (4)高濕高溫對傳感器的影響：根據(jù)測試結(jié)果表明，此傳感器可承受 96%RH 相 對濕度、70的環(huán)境條件，但基電平升高。 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)體積過大、

28、功耗高、成本太高， 所以不予采納。 方案三：方案三：采用 TP-2 型傳感器，采用三路巡回檢測的方法檢測房間氣體濃度，將檢 測的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入模/數(shù)芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 MCS51 單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測到的濃 度值在 LED 數(shù)碼顯示管上顯示出來。 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)將在下文中給出。 2.2.2 系統(tǒng)方案的確定 現(xiàn)今一氧化碳傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類傳感器時(shí)不必采用溫度、 濕度補(bǔ)償，極大的簡化了電路和降低了成本。鑒

29、于對以上三個(gè)方案的對比分析，方案 三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。 2.3 系統(tǒng)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)檢測以及工程控制方面的應(yīng)用， 是典型的嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱為通用計(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)稱之為嵌 入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(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)面對控制對象。如傳感信號輸入、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)

30、現(xiàn)場環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。 (4)突出控制功能。如對外部信息的捕捉、對控制對象實(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)有惟一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌 入式應(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)，能滿足 面對控制對象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運(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)。 2.3.1 一氧化碳報(bào)警器系統(tǒng)的三大部分 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)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌

31、入對象的資源要求而構(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)：指能滿足嵌入對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、顯小器、 打印機(jī)等)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: 圖 2.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系（注：該圖應(yīng)自己繪制，不要現(xiàn)成圖片！ ） 以此理解，程控一氧化碳報(bào)警器同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。其中以 MCS-8051 單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算 處理，控制

32、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) 說明。整個(gè)報(bào)警器由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測及顯示模塊、主控模塊 和報(bào)警及事故處理模塊。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是單片機(jī)和一氧化碳傳感器。 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。其中，濃度檢測及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是將房間中的 一氧化碳濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，并且將濃度值顯示出來；主控 模塊以單片機(jī)為主，對其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；報(bào)警及事故處理模塊是此系統(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，在檢測到一氧化碳濃度超過

33、指定值時(shí)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警無效后即會(huì)進(jìn)行處理，啟動(dòng)排氣扇和關(guān)閉電磁閥來 防止事故的發(fā)生。系統(tǒng)框圖如圖 2.3 所示。 圖 2.3 一氧化碳報(bào)警器系統(tǒng)組成框圖 下面就對各個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)形式作簡單介紹。 2.3.2 系統(tǒng)各個(gè)模塊功能說明 （1）氣體濃度檢測模塊 程控一氧化碳報(bào)警器采用三路巡回檢測的方法，可以檢測三個(gè)不同的房間也可以 用來檢測同一個(gè)房間三個(gè)不同的方位。檢測器件采用高溫一氧化碳?xì)怏w傳感器 TP-2 檢 測房間氣體濃度，檢測結(jié)果將經(jīng)過高精度運(yùn)放器放大后送入模/數(shù)芯片 ADC0809 中進(jìn)行 模數(shù)轉(zhuǎn)換，單個(gè)傳感器的檢測電路如圖 2.4 所示。 圖 2.4 單個(gè)傳感器電路圖 （2）主

34、控模塊 系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用MCS51單片機(jī)。MCS51系列單片機(jī)是美國Intel公司 1980年推出的一種高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)。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，各管腳的功能將在隨后的知識(shí)中加以介紹。它的主要功能 既是和ADC0809芯片一起共同接收檢測信號，又可以通過對數(shù)字信號的處理來控制外圍 電路以及顯示電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，接收經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后的一氧化 碳傳感器的檢測值，三路檢測結(jié)果經(jīng)過ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后 的信息將通過單片機(jī)控制，在LED顯示管上顯示出來，并且控制事故處理模塊。 （3）報(bào)警及事故處理模

35、塊 此模塊主要由蜂鳴器、電磁閥和排氣扇組成。在氣體濃度過大，超過安全值時(shí)蜂 鳴器工作，提供報(bào)警服務(wù)。這個(gè)時(shí)候，用戶可以自行關(guān)閉煤氣，并通過對房間通風(fēng)來 解決。如若 5 分鐘內(nèi)氣體濃度依然超過安全值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)排氣扇來降低房間一氧 化碳濃度，并且關(guān)閉電磁閥來防止煤氣泄漏造成事故。 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)過程，并且給出設(shè)計(jì)電路。 2.3.3 系統(tǒng)功能擴(kuò)展 由于設(shè)計(jì)的一氧化碳報(bào)警器為單機(jī)產(chǎn)品，而現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用多為小區(qū)型應(yīng)用。所以， 在設(shè)計(jì)中，我考慮到將此一氧化碳報(bào)警器添加網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使其能夠和主機(jī)相連，從主 機(jī)中能夠獲得分機(jī)所檢測的信息。單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)

36、中的應(yīng)用主要是應(yīng)用了串口通信技術(shù)， 這種技術(shù)是在智能型領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是值得發(fā)展的新技術(shù)。在下文中將詳細(xì)介紹串 口通信技術(shù)。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 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 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)用來設(shè)計(jì)硬件電路， 以實(shí)現(xiàn)電路的放大、驅(qū)動(dòng)、采集、隔離、匹配等功能。軟件知識(shí)用來設(shè)計(jì)芯片處理數(shù) 據(jù)的先后順序，數(shù)據(jù)的獲得途徑以及對數(shù)據(jù)做怎樣的處理，還有其他的一些驅(qū)動(dòng)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。 3.1 設(shè)計(jì)使用的

37、基本知識(shí)介紹 我們在學(xué)校里學(xué)到的幾乎都屬于基本知識(shí)，它是指最最基礎(chǔ)的東西，我們只有掌 握了它才能作更深一步的學(xué)習(xí)。在實(shí)際的應(yīng)用中，基本知識(shí)的掌握程度至關(guān)重要，它 影響到應(yīng)用的好壞。本設(shè)計(jì)應(yīng)用到的基本的硬件和軟件知識(shí)將在本節(jié)里作簡單的介紹。 本設(shè)計(jì)用到的硬件知識(shí)主要有：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子線路的設(shè)計(jì) 與調(diào)試、單片機(jī)的輸入輸出、串口通信技術(shù)、ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法。 在模擬電子技術(shù)方面，主要用來放大傳感器檢測信號和驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管以顯示傳 感器檢測到氣體濃度。數(shù)字電子技術(shù)用來把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，把從傳感器檢測到 的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合控制。 3.2 芯片

38、介紹4及相關(guān)電路模塊設(shè)計(jì) 集成塊出現(xiàn)使硬件電路設(shè)計(jì)更加簡單易懂，從而得到了廣泛的應(yīng)用。在這次畢業(yè) 設(shè)計(jì)中用到的主要芯片有單片機(jī) MCS8051、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809、LED 數(shù)碼顯示器等。 下面詳細(xì)介紹它們具體的應(yīng)用方法。 3.2.1 主控電路原理 主控電路中，以單片機(jī)為主體，通過分析 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字值，控制事故處理 模塊的運(yùn)行。它是系統(tǒng)的大腦。 單片機(jī)（MICROCONTROLLER，又稱微控制器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微 型機(jī)算計(jì)，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存貯器 RAM、程序存貯器 ROM、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 主機(jī)電路由 8051

39、作為程序存儲(chǔ)器。8051 的封裝管腳如圖 3.1 所示2。 圖 3.1 8051 封裝引腳圖（注：該圖應(yīng)自己繪制，不要現(xiàn)成 圖片?。?8051 的主要的特點(diǎn)： 1.采用高性能的 HMOs 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。 2.內(nèi)部含定時(shí)計(jì)數(shù)器。 3.有二級中斷優(yōu)先處理結(jié)構(gòu)。 4.有 32 條 IO 線，輸出輸入能力強(qiáng)。 5.程序?qū)ぶ房臻g達(dá) 64K 字節(jié)。 6.內(nèi) EPROM 有保險(xiǎn)功能，可保護(hù) EPROM 防止軟件誤寫入 7.有布爾處理功能，可擴(kuò)展用途。 8.對內(nèi)部 RAM 有位尋址功能。 9.有可編程的全雙工串行接口。 8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括有 ALU 部件、定時(shí)和控制部件、并行 IO 接口、串行 IO

40、 接口、定時(shí)器部件、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等七個(gè)部分。 ALU 部件含有 ALU 單 元以及累加器 Acc、寄存器 B、棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針 DPTR、程序狀態(tài)字 PSW、暫時(shí)寄存 器 TMP1、TMP2 等。ALU 除了可以進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算之外，還可以進(jìn)行布爾運(yùn)算。 定時(shí)和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號及微操作信號。它和 ALU 部件形成 了 8051 的 CPU14。 并行 IO 接口有 P0、P1、P2 和 P3 共四個(gè)，它們都是 8 位并行端口。它們都是雙 向通道，每一條 I/O 線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。作輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖住；作輸入 時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖。但這四個(gè)通道的功能不完全相

41、同。其中，P0 口是地址數(shù)據(jù)復(fù)合總 線，它用于傳送低 8 位地址 A0A7；也用于傳送數(shù)據(jù) D0D7。P2 口是高 8 位地址 A8A15 的地址總線，但也可作一般的 IO 口。P1 是一個(gè)純 IO 口，它只用于數(shù)據(jù) 的輸入輸出。P3 是控制信號及 IO 信號復(fù)用口，它除了用作 1O 口之外，還用于傳 送控制信號。P3 口對應(yīng)引腳用于控制信號時(shí)的情況如表 3.1 所示。 表 3.1 P3 口的引腳功能 引腳信號 控制信號說明 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 0 P3.3INT1外部中斷 1 P3.4T0定時(shí)器 0 輸入 P3.5T1定時(shí)器 1

42、輸入 P3.6WR寫存儲(chǔ)器信號 P3.7RD讀存儲(chǔ)器信號 這個(gè)系列的技術(shù)性能如下：工作環(huán)境溫度 070，存儲(chǔ)環(huán)境溫度65C十 1500。EAVpp 端對 Vss 的電壓為-05十 215v，任何腳到 Vss 的電壓為- 05十 7v，電源電壓十 5V 土 10，電源電流為 125250mA，電源功耗為 1.5w。 MCS-51 單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電復(fù)位是利用電容 的充放電來實(shí)現(xiàn)。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。前者，將復(fù)位端通 過電阻與 VCC相接；后者，利用微分產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的目的。復(fù)位電路參數(shù)RC 的選擇，應(yīng)能保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器

43、周期3。在設(shè)計(jì)中，用到了單片 機(jī)對輸入口進(jìn)行查詢并輸出相應(yīng)的高低電平實(shí)現(xiàn)后續(xù)工作的控制功能，這將著重在軟 件設(shè)計(jì)部分講到。 下面介紹設(shè)計(jì)中如何使用 ADC0809 的功能。 ADC 芯片型號很多，在精度、速度和價(jià)格方面千差萬別，較為常見的 ADC 主要是逐 次比較型和雙積分型。還有電壓頻率變換器(VF 變換器)構(gòu)成的 ADC。雙積分型 ADC，一般精度高，對周期變化的干擾信號積分為零，因而具有抗干擾性好、價(jià)格便宜 等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。逐次比較型 ADC，在轉(zhuǎn)換速度上同雙積分型相比要快得多。精 度較高（例如 12 位及 12 位以上的） ，價(jià)格較高。VF 變換型 ADC，突出優(yōu)點(diǎn)是高精度， 其

44、分辨率可達(dá) 16 位以上，價(jià)格低廉，但轉(zhuǎn)換速度不高。 ADC 的主要性能指標(biāo)是：分辨率；轉(zhuǎn)換時(shí)間；精度；輸入電壓范圍；輸入電阻（阻 值） ；供電電源；數(shù)字輸出特性；工作環(huán)境（周圍的溫度、濕度） ；保存環(huán)境等。 要選擇適當(dāng)?shù)?ADC，要看其使用目的。在本次設(shè)計(jì)中，使用的是 ADC0809。ADC0809 是 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 轉(zhuǎn)換的。 ADC 0809 是 CMOS 的 8 位單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有 8 路模擬開關(guān)，可控制選擇 8 個(gè)模擬量中的一個(gè)。A/D 轉(zhuǎn)換采用逐次逼近原理。輸出的數(shù)字信號有 TTL 三態(tài)緩沖器控 制，故可直接連至數(shù)據(jù)總線。主

45、要功能有： 分辨率為 8 位 總的不可調(diào)誤差在1/2 LSB 和1 LSB 范圍內(nèi)。 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100us。 具有鎖存控制的 8 路多路開關(guān)。 輸出有三態(tài)緩沖器控制。 單一 5V 電源供電，此時(shí)模擬輸入范圍為 05V。 輸出與 TTL 兼容。 工作溫度范圍為4085。 （1）ADC 0809 功能方框圖 模擬輸入部分有 8 路多路開關(guān)，可由三位地址輸入 ADDA、ADDB、ADDC 的不同組合 來選擇（這三條地址輸入信號可鎖存） 。 主體是采用逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由 CLK 信號控制內(nèi)部電路的工作，由 START 信號控制轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在內(nèi)部鎖存，通過三態(tài)緩沖器接至輸

46、出端。 其引腳如圖 3.2 所示。 其中，START 為啟動(dòng)命令，高電平有效。由它啟動(dòng) ADC 0809 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換過程。 當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號(End of Convert)有效（低電平有效） 。OE（Output EOC Enable）為輸出允許信號，高電平有效。當(dāng)在此輸入端供給一個(gè)有效信號時(shí)，打開輸 出三態(tài)緩沖器，把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。 圖 3.2 0809 的引腳 （2）ADC 0809 時(shí)序 當(dāng)模擬量送至某一輸入端后，由三位 地址信號來選擇，地址信號由地址鎖存允許 ALE（Address Latch Enable）鎖存。由 啟動(dòng)命令 START 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)換完成輸

47、出一個(gè)負(fù)脈沖，外EOC 界的輸出允許信號 OE，打開三態(tài)緩沖器把 轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線。一次 A/D 轉(zhuǎn)換 的過程就完成了。 （3）ADC 0809 與 CPU 的接 口 當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換片子與 CPU 接口時(shí)除了數(shù)據(jù)的輸出（至 CPU）外，與通常的 I/O 接口一 樣，還需要有控制和狀態(tài)信息。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，A/D 的輸入端接至采樣保持電路的輸出。但轉(zhuǎn)換的開始，要由 CPU 用軟件來控制（輸出一條指令） ；而轉(zhuǎn)換總是需要一定的時(shí)間才能完成，故 A/D 轉(zhuǎn) 換電路必須給出一個(gè) DONE/BUSY 的狀態(tài)信息7。 此次設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)最小系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中主要解決的問題有：由于 MCS8051

48、 單片機(jī)是 8 位機(jī)，在顯示模塊中顯示氣體濃度的數(shù)字有 3 位，需要在軟件系統(tǒng) 中對數(shù)字進(jìn)行處理，這樣才能夠正常運(yùn)行；單片機(jī)中 P0，P1，P2 以及 P3 口都能用于 和 ADC 0809 之間進(jìn)行連接，本次設(shè)計(jì)采用 P1 口和 ADC0809 進(jìn)行連接；使用 INT0 口通 過一個(gè)非門與 ADC0809 的 EOC 相連接，目的是利用單片機(jī)的中斷口來調(diào)節(jié)控制整個(gè)系 統(tǒng)并且給軟件設(shè)計(jì)中寫中斷程序帶來方便；ADDA、ADDB、ADDC 分別與單片機(jī)的 P2.0,P2.1,P2.2 相連，用于控制 ADC 0809 的八路模擬轉(zhuǎn)換。由于應(yīng)用 0809 的時(shí)序和 單片機(jī)時(shí)序的不同，時(shí)鐘端不能直接相

49、連，之間應(yīng)加入一個(gè)分頻電路，采用 D 觸法器。 時(shí)鐘連接圖如圖3.3所示： 圖3.3 ADC0809與單片機(jī)時(shí)鐘端的連接 ADC0809芯片與單片機(jī)的連接圖如圖3.4： 圖 3.4 ADC0809 與單片機(jī)的連接 在本次設(shè)計(jì)中，為了能對單片機(jī)直接寫入程序，避免調(diào)試過程中不斷的插拔單片 機(jī)，特制作了一個(gè)數(shù)據(jù)接口，用于和編程器相連。在寫入程序時(shí)，應(yīng)用單片機(jī)的 P1.5,P1.6,P1.7 以及 RESET 四個(gè)端口。寫程序的過程中應(yīng)將 ADC0809 的 OE 使能端接地。 編程器接口電路如圖 3.5： 3.2.2 電源電路 本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的電源為+5V 直流電壓源。電源電路如圖 3.6 所示 為

50、了使硬件調(diào)試方便，應(yīng)用電腦 USB 接口提供硬件電源。下面對 USB 供電做簡單 介紹。 現(xiàn)在主板對于 USB 設(shè)備大多使用兩種供電方式，使用 5VSB 供電和 5V 供電。兩種 供電模式的主要區(qū)別為： 1. 5VSB 供電模式下，系統(tǒng)關(guān)機(jī)（S5）或進(jìn)入休眠（S3）后 5VSB 仍然存在，USB 端 口仍然會(huì)有 5V 電壓；使用 5V 供電（不論是直接使用電源的 5V 還是由其它地方分壓而 來）在休眠后 USB 端口沒有電壓。 圖 3.5 編程器接口電路 圖 3.6 常規(guī)供電示意圖 2. 只有在使用 5VSB 供電模式下，才能在休眠的情況下使用 USB 設(shè)備喚醒系統(tǒng) （當(dāng)然主板 BIOS 中一

51、定要對 Wakeup By USB Device 選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置） 。 在過去由于商用機(jī)型很少使用 USB 設(shè)備，因此對于 USB 供電模式并沒有嚴(yán)格的要求， 隨著 USB 設(shè)備的大量出現(xiàn)，不得不考慮這個(gè)問題。目前 5VSB 供電和 5V 供電都存在一 定的不足。 A.5VSB 供電模式：所有電源對 5VSB 的最大電流都有規(guī)格定義，一般為 1A2A。如 果嚴(yán)格按照 USB SPEC 考慮 USB 設(shè)備供電要求（即耗電流500MA 的設(shè)備需要使用外置電源供電） ，1A 可以滿足 USB 設(shè)備對電流的要求（USB 鍵盤 100mA，USB 鼠標(biāo) 100mA） 。但是目前 USB 設(shè)備生產(chǎn)廠家混雜，

52、很多廠家生產(chǎn)的設(shè)備超出 了 USB SPEC 的要求同時(shí)為了 COSTDOWN 沒有使用外置電源。這樣在 5VSB 供電的情況下 可能會(huì)出現(xiàn)個(gè)別 USB 設(shè)備無法正常工作的情況。 B.5V 供電模式：進(jìn)行 STR 休眠喚醒后返回系統(tǒng)時(shí)因 USB 設(shè)備經(jīng)過從失電至得電過程， 有可能出現(xiàn)喚醒后 USB 設(shè)備無法工作必須重新插拔 USB 設(shè)備才能重新使用，雖然可以 修改 BIOS 使得 USB 設(shè)備在這種情況下能使用，但將經(jīng)常發(fā)生 STR 后重新查找 USB 設(shè)備 的問題。 5V 可以提供較大的電流、兼容更多的非標(biāo)準(zhǔn) USB 設(shè)備但會(huì)存在休眠喚醒的問題， 5VSB 雖然無問題但是對非標(biāo)準(zhǔn) USB 設(shè)

53、備的兼容性不好。左右權(quán)衡之后，使用 5VSB 為 USB 供電。目前使用的主板多數(shù)通過跳線控制是否使用 5VSB 為 USB 供電（QDI 使用 JUSB 和 JFUSB 兩個(gè)跳線） 。使用的 810E2U 主板已經(jīng)使用 5VSB 為 USB 設(shè)備供電。在使用 5VSB 供電后還需要進(jìn)行一些工作，首先是電源部分需要引入對 5VSB 電流的規(guī)格限定， 最小也要有 2A， 以下是 USB 的供電示意圖。 圖 3.7 USB 供電示意圖 3.2.3 傳感器的選擇及電路 3.2.3.1 傳感器概述 (1)傳感器的定義 人們通常將能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為傳感器，傳感器實(shí)質(zhì)是一種功能塊， 其作用是將

54、來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號：它是實(shí)現(xiàn)測試與自動(dòng)控制系統(tǒng)的首要 環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么，無論是信號轉(zhuǎn)換或信 息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制部將無法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù) 的主要內(nèi)容之。 (2)傳感器的作用 信息的收集 科學(xué)研究中的計(jì)量測試，產(chǎn)品制造與銷售中所需的計(jì)量等都要由測量而獲得準(zhǔn)確 的定量數(shù)據(jù)對某種特定要求，需檢測目標(biāo)物的存在狀態(tài)，把某狀態(tài)的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)： 對系統(tǒng)或裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也由傳感器來實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，發(fā)出警告 信號并啟動(dòng)保護(hù)電路工作。這樣可以對系統(tǒng)或裝置進(jìn)行正常運(yùn)行與安全管理。判斷產(chǎn) 品是否合格，或人體某部位的異常診

55、斷等都需由傳感器的測量來完成。 信息數(shù)據(jù)的交換 把以文字、符號、代碼、圖形等多種形式記錄在紙或膠片上的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì) 算機(jī)、傳真機(jī)等易處理的信號數(shù)據(jù)。或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如，磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。 控制信息的采集。檢測控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)， 或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標(biāo)值。 (3)傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路三部分組成有時(shí)還加上輔助電源。 通?？捎梅綁K圖來表示，如下圖 3.8 所示： 圖 3.8 傳感器的組成 敏感元件直接感受被測量(一般為非電量)，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其 它量(也可以包括電量

56、)的元件。 傳感元件又稱變換器，是傳感器的重要組成元件。 傳感元件可以直接感受被 測量(般為非電量)而輸出與被測量成確定關(guān)系的電量。也可以不直接感受被測量， 而只感受與被測量成確定關(guān)系的其它非電量。 測量電路能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、控制和處理的 有用電傳號的電路。測量電路視傳感元件的類型而定。使用較多的是電橋電路，也使 用其他特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、維持振蕩的激振電路等。由于 傳感元件的輸出信號一般比較小，為了便于顯示和記錄，大多數(shù)測量電路還包括了放 大器。 (4)傳感器的分類 傳感器的分類見表 3.2 所示： 3.2.3.2 傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 根據(jù)以上對

57、傳感器相關(guān)知識(shí)的介紹，我們可以明確傳感器是測量、控制系統(tǒng)的入 口，必須具備良好的性能。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注意以下要點(diǎn)12： (1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強(qiáng)、測量范圍寬。 (2)滯后、漂移誤差小， (3)動(dòng)態(tài)特性良好。 (4)功耗小。 (5)時(shí)間老化特性優(yōu)良，抗腐蝕性強(qiáng)。 (6)與被測體匹配良好，即不因接入傳感器而使被測對象受到影響，受被測量之外 的量影響小。 (7)體積小、重量輕、價(jià)格低廉。 (8)故障率低，易于校準(zhǔn)和維修。 (9)由于傳感元件的輸出信號一般比較小，為了便于能夠驅(qū)動(dòng)控制電路，在傳感器 電路中還應(yīng)該包括放大器。 鑒于上述選擇要點(diǎn)，本文中用到的一氧化碳傳感器必

58、須具備測量效果好、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。為此我們選擇高溫型一氧 化碳傳感器 TP-2。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 需溫度補(bǔ)償。這樣不僅簡化了電路，而且還降低了成本，實(shí)為良好的選擇。 表 3.2 傳感器的分類 3.2.3.3 傳感器與 ADC0809 的連接 三路檢測結(jié)果從IN1、IN2、IN4 輸入,轉(zhuǎn)換順序由ADDA、ADDB、ADDC 控制，控制 方法如表3.3所示。 分類方法傳感器的種類說 明 按輸入量分類 位移傳感器、速度傳感器、 溫度傳感器、壓力傳感器 等 傳感器按被測物理量命名 按工作原理分類 應(yīng)變式、電容式、

59、電感式、 壓電式、熱電式等 傳感器以工作原理命名 結(jié)構(gòu)型傳感器 傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變 化實(shí)現(xiàn)信息的變化 按物理現(xiàn)象分類 物性型傳感器 傳感器依賴其敏感元件的 物理特性來實(shí)現(xiàn)信息的變 化 能量轉(zhuǎn)換型傳感器 傳感器直接將被測量的能 量直接轉(zhuǎn)化成輸出量的能 量 按能量關(guān)系分類 能量控制型傳感器 由外部供給傳感器能量， 而由被測量來控制輸出能 量 模擬式傳感器輸出量為模擬量 按輸出信號分類 數(shù)字式傳感器輸出量為數(shù)字量 轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機(jī)P1 口供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中三路檢測結(jié)果由三個(gè)一氧化 碳傳感器提供，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了使編程方便，使用IN1、IN2、IN4口接收傳感器信 號。單個(gè)傳感器電路在上

60、文中已經(jīng)介紹到了，傳感器與ADC0809的連接電路圖如圖 3.9。 表3.3 ADC0809的通道選擇方法 ADDC ADDB ADDA選中通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 圖3.9 傳感器與ADC0809的連接電路圖 3.2.4 事故處理電路的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的T1中斷口連接音樂報(bào)警器，T2中斷口連接電磁閥和排氣扇。 為防止市電對系統(tǒng)的干擾，T1和T2端都經(jīng)過光電耦合管對電磁閥和排風(fēng)扇進(jìn)行控制。 當(dāng)檢測到氣體濃度超過100ppm時(shí)，音樂報(bào)警器開始報(bào)警，2分