基于單片機(jī)的天然氣多點(diǎn)濃度巡測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文中文摘要天然氣在人們的日常生活中做出了非常大的貢獻(xiàn)，然而當(dāng)它在空氣中的濃度達(dá)到一定范圍時(shí)可能引起自燃甚至爆炸，這樣就會(huì)造成很大的危險(xiǎn)。甚至?xí)：Φ饺藗兊纳约柏?cái)產(chǎn)的安全。本文介紹了一種基于at89c51單片機(jī)和氣敏傳感器進(jìn)行巡環(huán)檢測天然氣罐濃度的裝置。該設(shè)計(jì)包括監(jiān)測系統(tǒng)的組成、工作原理及硬件、軟件設(shè)計(jì)的方法。本系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)對天然氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測而且當(dāng)濃度達(dá)到一定范圍時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)警，還具有超出給定濃度報(bào)警的功能，為預(yù)防和減小火災(zāi)損失提供了有力的科學(xué)手段。本文采用了氣敏傳感器，氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換

2、成為電壓信號，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。目前，人們對氣敏傳感器的測試方法主要停留在用人工手動(dòng)的方式來進(jìn)行操作，開發(fā)出一種實(shí)用高效的智能化傳感器測試裝置是非常的必要的。本文根據(jù)人們的需要設(shè)計(jì)出了一種高效有用的天然氣實(shí)時(shí)巡測裝置。關(guān)鍵詞 ：天然氣；氣敏傳感器；報(bào)警；at89c51；title:concentration of natural gas more patrol unitabstractnatural gas in people's daily life has made great contributions, but

3、 when it is in the air when the concentration reaches a certain range may cause spontaneous combustion or explosion, which would result in great danger. even endanger people's lives and property.this paper describes a gas sensor based on at89c51 microcontroller and gas tank concentration loop de

4、tection device. the design includes monitoring system, working principle and the hardware and software design methods. the system not only enables real-time monitoring of gas concentration, and when the concentration reaches a certain range will have the appropriate warning, but also has exceeded th

5、e alarm function of a given concentration, to prevent and reduce fire losses provide a strong scientific means.in this paper, the gas sensors, gas sensors is the ability to sense the environment and the concentration of certain gases in a sensitive device, it will be the gas composition, concentrati

6、on and other relevant information converted into a voltage signal, which can detect, monitor, alarm ; also be formed through the interface circuit and the computer automatically detect, control and alarm systems. currently, people mainly gas sensors testing methods remain in use to manually operate

7、the way to develop a practical and efficient intelligent sensor testing device is very necessary. according to people's need to design a useful and efficient real-time patrol unit of natural gaskey words: natural gas; gas sensors; alarm; at89c51;目 錄第一章 緒論11.1 天然氣的用途11.2 天然氣巡測目的和意義11.3氣體巡檢技術(shù)在國內(nèi)外的

8、發(fā)展現(xiàn)狀2第二章 方案論證42.1基于硬件設(shè)計(jì)天然氣濃度巡測裝置的方法42.1.1人工巡視法42.1.2空氣采樣法42.1.3聲學(xué)檢測法42.1.4 檢測天然氣罐壁的方法52.2基于軟件設(shè)計(jì)天然氣濃度巡測的方法52.3 基于軟件和硬件結(jié)合的方法設(shè)計(jì)天然氣濃度泄漏巡測52.3.1 硬件的選擇62.3.2軟件設(shè)計(jì)8第三章 硬件部分的設(shè)計(jì)103.1 at89c51的片內(nèi)結(jié)構(gòu)及引腳描述103.2 氣敏傳感器163.2.1 氣敏傳感器分類163.2.2 半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)173.2.3氣敏傳感器的工作原理193.3 顯示部分介紹203.4 按鍵部分介紹223.5 a/d轉(zhuǎn)換介紹以及max187簡介

9、243.6 74ls138簡介283.7 地址鎖存芯片74ls373的介紹293.8 6264的簡介303.9 放大電路icl7650的介紹323.10 蜂鳴器pb2130的介紹333.11 cd4051簡介35第四章 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)374.1主程序的設(shè)計(jì)：374.2 各子程序的設(shè)計(jì)394.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與a/d轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)394.2.2顯示部分的軟件設(shè)計(jì)424.2.3按鍵部分的軟件設(shè)計(jì)454.2.4報(bào)警部分軟件的設(shè)計(jì)46 4.2.5濾波部分軟件的設(shè)計(jì).46 第五章 結(jié)論與總結(jié). 47致謝49參考文獻(xiàn)57附錄52附錄一 程序清單5258第一章 緒論1.1 天然氣的用途天然氣是一種多

10、組分的混合氣體，主要成分是烷烴，其中的甲烷占絕大多數(shù)，另外還有少量的乙烷、丙烷和丁烷，除此之外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微量的惰性氣體（氦和氬等）。在大氣標(biāo)準(zhǔn)狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。天然氣無毒，潔凈，安全，方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，是居民家庭最佳的燃料選擇，它既可烹調(diào)、做飯，又可洗浴、取暖。而且天然氣價(jià)格穩(wěn)定、熱量值高，可代替煤、燃油等很多的能源。除此之外，還可以用于辦公樓、工廠、賓館、醫(yī)院、商場等大型公共場所的空調(diào)系統(tǒng)，以及用做工商戶與城市公共設(shè)施的鍋爐燃料及供熱、供暖。 天然氣可替代汽油作為汽車動(dòng)力燃料，降低運(yùn)輸成本，減少城市污染。天然氣還可以作為化工原料站

11、發(fā)電的原料。而且天然氣的有效使用涉及到國家能源的分配與能源政策的實(shí)施，提高能源使用效率；現(xiàn)在我國以“西氣東輸”、“西電東送”為契機(jī)，積極引入清潔、優(yōu)質(zhì)能源，以天然氣發(fā)電，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)；積極引進(jìn)天然氣和液化天然氣資源. 此外,天然氣在石油天然氣以及其他燃?xì)鈾z測中有著重要的地位。1.2 天然氣巡測目的和意義 天然氣作為一種高效,優(yōu)質(zhì),清潔的能源，在世界各國均得到普遍重視和優(yōu)先利用。但是人類在使用天然氣的過程中在嘗到它的甜頭的同時(shí)也嘗到了它的苦頭。由于管道設(shè)備的老化、地理、氣候條件的影響以及人為的破壞，經(jīng)常會(huì)造成泄漏事故的發(fā)生。天然氣管道的泄漏將直接危害到管道設(shè)施的安全運(yùn)行和威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)得

12、安全,進(jìn)而造成難以挽回的惡性事故和各種各樣的間接損失。因此,能夠及時(shí)而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)管道輸送天然氣時(shí)的泄漏、泄漏位置和泄漏量等方面都具有重大意義。天然氣巡測技術(shù)有很多的方法：管道氣體檢測技術(shù)從不同的側(cè)重點(diǎn)出發(fā)可以有不同的分類方法：從測量位置的不同我們可以將其分為外部監(jiān)測法和內(nèi)部監(jiān)測法；從是管道的運(yùn)行狀態(tài)來分可以分為靜態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測；從采用的技術(shù)來看可以分為基于硬件的方法和基于軟件的方法。本文使用基于硬件設(shè)計(jì)和軟件編程的方法對輸氣管道的泄漏問題進(jìn)行的設(shè)計(jì)。天然氣安全使用的最常見問題是，在家中，一旦發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏，不能開燈，不能打開抽油煙機(jī)和排風(fēng)扇，不能點(diǎn)火，也不能在室內(nèi)撥打電話，要打開家里所有的

13、門窗；勿動(dòng)電器。打開，關(guān)閉任何家用的電器，比如電燈、電扇、排氣扇、抽油煙機(jī)、空調(diào)、電閘、門鈴、冰箱等，都可能產(chǎn)生火花，引起爆炸。天然氣無聲無色，怎樣防范才能更好的避免因天燃?xì)庑孤┰斐杀?、火?zāi)、中毒、窒息等惡性事故發(fā)生？因此本設(shè)計(jì)是關(guān)天然氣泄漏的檢測儀和報(bào)警器。本設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)地檢測家庭天然氣罐及煤氣管道的煤氣有無泄漏。檢測到天然氣濃度超過預(yù)設(shè)值后迅速的做出判斷并報(bào)警。避免濃度超過極限值后產(chǎn)生的電火花引起爆炸。我們知道氣體巡檢技術(shù)是一種常見的檢測氣體泄漏的方式，具有高效、經(jīng)濟(jì)、便于管理等很多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1.3氣體巡檢技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀氣體巡檢技術(shù)現(xiàn)在無論在國內(nèi)還是在國外都得到了人們的廣泛重視

14、。在氣體巡檢技術(shù)的應(yīng)用方面，無論從工廠企業(yè)還是到人民家庭，應(yīng)用都是十分廣泛?，F(xiàn)以安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在1980年1月就已經(jīng)開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(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6個(gè)州已經(jīng)立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝天然氣報(bào)警器。報(bào)警器種類也相當(dāng)多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有多路巡檢式、臺放式、單臺監(jiān)控式、懸掛式等。氣

15、體檢測技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了智能化，也實(shí)現(xiàn)了功能化。據(jù)了解美國工業(yè)科學(xué)公司（isc）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn)多種氣體的巡測，他們采用統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)對特定氣體巡測。美國國際傳感器技術(shù)（ist）公司應(yīng)用一種叫做"megacas"的傳感器和微型程序控制單元，可檢測100多種有毒性氣體和可燃性氣體，其可以通過其"氣體檢索"的功能進(jìn)行掃描，就能很快確定是哪一種氣體了。在氣體巡測技術(shù)中我們知道其主要的應(yīng)用部件是氣體傳感器。在國外氣體傳感器發(fā)展的速度很快，一方面是由于人們生活安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求更高；另一方

16、面也是由于傳感器生產(chǎn)及應(yīng)用市場增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。正是因?yàn)槿绱?，國外氣體傳感器技術(shù)得到了飛速發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，美國在1996年2002年氣體傳感器使用年均增長率為（2730）。就目前而言，氣體傳感器的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：一是靈敏度的提高和工作性能的穩(wěn)定，為了降低功耗和制作成本，我們可以縮小尺寸，將電路簡化，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直執(zhí)著追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測（110）×106硫化氫低功耗氣體傳感器，美國ist提供研制出了壽命長達(dá)10年以上的氣體傳感器，美國firstalert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗專門檢測天然氣等可燃性氣體的氣

17、體傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路多功能化，集成化。努力發(fā)展mems技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場恰當(dāng)適用的變送器和智能型傳感器。如美國generalmonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國ist公司的具有微處理器的"megagas"傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。 國內(nèi)現(xiàn)狀與差距 在氣體巡測技術(shù)中所用到的氣敏元件傳感器作為新型敏感元件已經(jīng)被國家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的對象，而且其在國內(nèi)的發(fā)展已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是： （1）燒結(jié)型氣敏元件仍在生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，占總量90以上；接觸燃繞式氣敏元件現(xiàn)在已經(jīng)具備

18、了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器已經(jīng)成功研制出試制產(chǎn)品; （2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動(dòng)結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面sno2和fe2o3材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開發(fā)的al2o3氣敏材料、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料; （3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試; （4）國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過"九五"初期的400萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家共有5家，有黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠

19、、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司、北京電子管廠，其中前四家都超過100萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支。 從總體看來，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)有了較快進(jìn)展，但是與國外先進(jìn)水平仍然會(huì)有較大的差距，主要是我國的產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用等方面的差距，在這些方面我國與日本相比仍要落后將近10年。但是現(xiàn)在我國的現(xiàn)行政策已經(jīng)在這些方面做出了很大的努力，相信在不久的將來我們在氣體巡測方面以及在氣敏傳感器方面會(huì)有很大的進(jìn)步。1.4本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：有多個(gè)天然氣罐，并且每個(gè)天然氣罐有8個(gè)點(diǎn)，要求對這八個(gè)點(diǎn)天然氣的泄露濃度進(jìn)行在線巡測。并由顯

20、示器將其濃度顯示出來。當(dāng)濃度超過其預(yù)定濃度上線時(shí)，采取報(bào)警措施。提醒人們采取防護(hù)及挽救措施。其中本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是要求測出天然氣的實(shí)時(shí)濃度，并且顯示出來。如果超限則采取報(bào)警以提醒人們危險(xiǎn)信號。要求測試的濃度精度1000ppm。 第二章 方案論證氣體泄漏巡環(huán)檢測技術(shù)以及將其定位的主要方法可以分為以下幾種：我們知道管道泄漏檢測技術(shù)從不同的出發(fā)點(diǎn)出發(fā)可以有很多不同的分類方法：例如我們從測量方式分可以分為外部巡測法和內(nèi)部巡測法；從管道的狀態(tài)來分我們還可分為靜態(tài)巡測方法和動(dòng)態(tài)巡測方法；除此之外我們還可以從采用的技術(shù)來分，分為基于硬件的巡測方法和基于軟件的巡測方法。下面我們分析基于硬件巡測方法和基于軟件巡

21、測方法進(jìn)行分類評述。2.1基于硬件設(shè)計(jì)天然氣濃度巡測裝置的方法這類方法主要依賴人工巡視或其他很多種基于聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等基本原理的儀器設(shè)備對天然氣罐以及周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)泄漏檢測。根據(jù)其工作原理我們可以將其分為以下幾種。2.1.1人工巡視法早期的天然氣罐或者天然氣管道大多采用人工分段巡視的方法。天然氣無色無味，輸送進(jìn)管道之前要添加臭味劑以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)其泄漏。所添加的臭味劑多為硫化物，其中目前四氫噻吩（tht）使用的最為廣泛。人工巡視法有很多的缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于過于依賴檢測者的經(jīng)驗(yàn)，檢測速度太慢，無法連續(xù)進(jìn)行檢測，該方法目前已經(jīng)被其他的方法取代。2.1.2空氣采樣法從空氣中進(jìn)行采樣，用專門

22、的儀器設(shè)備進(jìn)行檢測，當(dāng)所檢測的空氣中泄漏氣體的濃度超過一定限度時(shí)就進(jìn)行報(bào)警，以上就是空氣采樣法的基本原理。所用的檢測器主要有火焰電離檢測器和可燃?xì)怏w監(jiān)測器?；鹧骐婋x檢測器（fid）的原理是通過計(jì)算烴類氣體在電場中燃燒所產(chǎn)生的帶電碳原子數(shù)目來計(jì)算該氣體的濃度。其最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可燃?xì)怏w監(jiān)測器是一類監(jiān)測可燃?xì)怏w的獨(dú)立傳感器，它通過催化氧化原理產(chǎn)生與可燃?xì)怏w濃度超過預(yù)設(shè)定值時(shí)，可以通過由繼電器驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行報(bào)警?？諝獠蓸臃ǘㄎ粶?zhǔn)確、精度高，可是無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測，而且檢測器設(shè)備昂貴，所以一般只是作為輔助手段來使用。2.1.3聲學(xué)檢測法聲學(xué)檢測法依據(jù)下面的原理：發(fā)生天然氣泄漏的時(shí)候，氣體經(jīng)過漏點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)

23、生泄漏聲波。在天然氣罐中，該泄漏聲波在超聲波范圍內(nèi)，以聲波向罐的兩端傳播，可以由相應(yīng)的聲學(xué)傳感器檢測到。通過檢測泄漏的天然氣的聲波信號，尋找所要信號的最大點(diǎn)即可進(jìn)行泄漏定位。2.1.4 檢測天然氣罐壁的方法通過儀器設(shè)備直接檢測天然氣罐壁是否有腐蝕或者有破裂的地方，它也是一類有效的檢測泄漏方法。檢測天然氣罐壁的設(shè)備有高聚物電纜等。高聚物電纜，該電纜對油和氣體都十分敏感，沿天然氣罐外壁鋪設(shè)來進(jìn)行泄漏檢測。該方法非常靈敏，尤其對小和緩慢的泄漏有良好的效果。但電纜造價(jià)十分昂貴，施工費(fèi)用太高，如果被泄漏物質(zhì)被沾染后還需及時(shí)更換，所以特別不適合我國管線的應(yīng)用。以上介紹的是幾種基于硬件設(shè)計(jì)的天然氣氣體濃度檢

24、測的方法，。他們的普遍缺點(diǎn)是不能連續(xù)檢測天然氣罐（聲波法除外），而實(shí)際發(fā)生泄漏的時(shí)間和位置是無法預(yù)知的，所以我們必須在每時(shí)每刻且在天然氣罐的每一點(diǎn)都需要進(jìn)行監(jiān)測，所以它們一般不作為主要管道的檢測手段。 2.2基于軟件設(shè)計(jì)天然氣濃度巡測的方法基于軟件設(shè)計(jì)的方法主要依靠的是檢測天然氣氣體泄漏所引起的流量、壓力等參數(shù)的改變，利用特殊的算法來進(jìn)行氣體泄漏檢測和位置定位?；谲浖臋z測方法可以分為以下幾種。簡單的基于軟件的檢測方法:這類方法主要有壓力/流量變化和流量平衡法兩種。壓力/流量變化法是基于如下假設(shè)：在工況穩(wěn)定的情況下，管道出入口處的壓力或者流量的變化超過一定程度就意味著泄漏的發(fā)生。對出入口的壓

25、力和流量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)其變化超過預(yù)設(shè)值時(shí)就發(fā)出報(bào)警。這種方法原理和實(shí)現(xiàn)都很簡單，但是無法定位，而且誤報(bào)警率很高。流量平衡法則是根據(jù)管道兩端出、人口流量是否平衡來檢測管道發(fā)生了泄漏，當(dāng)人口流量大于出口流量時(shí)，就可以判斷管道發(fā)生泄漏。由于管道的工況變化或嗓聲擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致流量不平衡現(xiàn)象，所以誤報(bào)警率較高。以上兩種方法的原理簡單，但由于誤報(bào)警率高，而且無法定位，所以不能作為主要的檢測方法。由此我們可以看出單獨(dú)的硬件設(shè)計(jì)和單獨(dú)的軟件的設(shè)計(jì)完全不能夠滿足本次設(shè)計(jì)。故我們應(yīng)該選擇其他的方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次的方案論證我們得出只有將硬件與軟件相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的功能。2.3 基于軟件和硬件結(jié)合的方法設(shè)計(jì)

26、天然氣濃度泄漏巡測單獨(dú)的硬件設(shè)計(jì)和單獨(dú)的軟件設(shè)計(jì)不能滿足要求，基于本次設(shè)計(jì)要求我們選擇軟件和硬件結(jié)合的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過硬件部分實(shí)現(xiàn)信號的采集與放大，通過軟硬件結(jié)合對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過軟件部分對信號進(jìn)行處理，最后通過軟硬件結(jié)合進(jìn)行顯示、報(bào)警、巡環(huán)檢測以及人機(jī)交換。該設(shè)計(jì)方案不僅滿足了濃度的顯示和超限報(bào)警，而且實(shí)現(xiàn)了巡環(huán)測試和所要求精度的要求。下圖為基于本設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖： 圖2.1 系統(tǒng)原理框圖其工作原理如下：首先，將氣敏傳感器放到天然氣檢測點(diǎn)進(jìn)行測量，傳感器將采集到的信號轉(zhuǎn)化為芯片可以識別的電壓信號，通過放大器的放大信號被放大到伏特級別。送入a/d轉(zhuǎn)

27、換裝置，將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到單片機(jī)的p口，單片機(jī)對采集到得信號進(jìn)行運(yùn)算、校正。然后經(jīng)過單片機(jī)的傳送到八段數(shù)碼管使其濃度得以顯示。其次，當(dāng)其濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的初值時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警的響聲以提示人們濃度已經(jīng)超標(biāo)了，必須馬上采取措施。下面我們就其軟硬件的選擇加以論述2.3.1 硬件的選擇一本設(shè)計(jì)的主控制器有很多的選擇，但是我們基于設(shè)計(jì)不是很復(fù)雜，開發(fā)的成本比較低，性價(jià)比，操作的難易程度等方面來考慮，我們選擇的是美國atmel公司生產(chǎn)的8位高性能at89c51單片機(jī)，其主要技術(shù)優(yōu)勢是它的內(nèi)部含有可編程的flash存儲器，用戶可以很方便地進(jìn)行操作程序的擦寫，在嵌入式控制領(lǐng)域中at89c51單片

28、機(jī)被廣泛應(yīng)用。at89c51單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)mcs-51系列單片機(jī)的指令組和引腳是兼容的，因而可以替代mcs-51系列單片機(jī)使用。二該設(shè)計(jì)主要是測試天然氣的泄露濃度及其報(bào)警，因此我們選擇它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。氣敏傳感器的工作原理是：聲波表面器件的波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用此性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互接觸作用（化學(xué)作用或生物作用，或者

29、是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，使得膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度也相應(yīng)的不同，由此引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化基于設(shè)計(jì)要求我們選擇qm-n10氣敏傳感器來檢測天然氣的濃度。它具有靈敏度高反應(yīng)快的特點(diǎn)。用于本次設(shè)計(jì)非常合適。三由于本裝置需要檢測2個(gè)天然氣罐，而每個(gè)氣罐上有8個(gè)濃度監(jiān)測點(diǎn)，故要對16個(gè)點(diǎn)采集信號，所以選用多路模擬開關(guān)。多路模擬開關(guān)的主要作用是用于切換信號，如在某一時(shí)刻接通某一路，讓該路信號輸入而讓其他路斷開，從而達(dá)到切換信號的目的。為使裝置能正常工作，我們應(yīng)

30、該選擇性能穩(wěn)定的8通道模擬開關(guān)cd4051，它與地址鎖存器74ls373和譯碼器74ls138組成采集電路用于對16個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行信號采集。四運(yùn)算放大電路采用斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器icl7650，icl7650 是intersil 公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和cmos 工藝制作。其特點(diǎn)是輸入偏置電流小、增益高、失調(diào)小、共模抑制能力強(qiáng)、低漂移、高輸入阻抗、快響應(yīng)、穩(wěn)定的性能及低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。icl7650其放大倍數(shù)在100倍以內(nèi)。五由于此次設(shè)計(jì)裝置要求的濃度精度為1000ppm所以我們采用開關(guān)電容逐次逼近型的max187。max187是美國ti公司生產(chǎn)的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成

31、a/d轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)i/o資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中被廣泛的應(yīng)用。六在濃度顯示方面的選擇也較多，我們可以采用八段數(shù)碼管顯示，也可以采用lcd液晶顯示屏但是我們基于硬件的成本以及編程的難易程度，在天然氣濃度顯示部分我們采用led顯示，自動(dòng)顯示16個(gè)采樣點(diǎn)的濃度信息。并且數(shù)碼管顯示分為數(shù)碼管靜態(tài)顯示和數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示方式即是無論有多少個(gè)數(shù)碼管都處于顯示狀態(tài)。它的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)碼管的亮度高無閃爍，并且軟件編程控制比較容易。缺點(diǎn)是需要的硬件電路比較多并且在較多數(shù)碼管時(shí)流經(jīng)的電流較大對電源的要求也相應(yīng)提高。故在硬件設(shè)計(jì)時(shí)很少使用靜態(tài)顯示方式

32、。所謂動(dòng)態(tài)顯示即是無論在任何時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管處于點(diǎn)亮狀態(tài)，每個(gè)數(shù)碼管輪流顯示。動(dòng)態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是所需要的硬件電路較為簡單，且數(shù)碼管需要的越多這個(gè)優(yōu)勢越明顯。由于每一時(shí)刻僅有一個(gè)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，故需要的電流小。其缺點(diǎn)是數(shù)碼管的亮度不如靜態(tài)顯示的高，并且軟件程序控制比較麻煩。根據(jù)本次設(shè)計(jì)需要用到7個(gè)八段數(shù)碼管，故我們選擇用動(dòng)態(tài)顯示方式。七實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警的接口電路比較簡單，其發(fā)音元件可采用壓電蜂鳴器，壓電蜂鳴器的特點(diǎn)是：體積小、重量輕、耗電省、厚度薄、造價(jià)低廉、可靠性好。因只需在其兩引線上加35v的直流電壓，就能產(chǎn)生3khz左右的蜂鳴震蕩音響，比電研式蜂鳴結(jié)構(gòu)簡單，耗電少，且更適合于在單片機(jī)系統(tǒng)之中應(yīng)

33、用。除此之外壓電式蜂鳴器，約需10ma的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用ttl系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以使用一個(gè)晶體管三級管驅(qū)動(dòng)，八本次設(shè)計(jì)對按鍵的要求較低，所以我們選擇2個(gè)按鍵用來控制起始和停止的狀態(tài)。2.3.2軟件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)在軟件編程方面有兩種選擇用c語言編寫。其優(yōu)缺點(diǎn)如下所示：c語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點(diǎn)是可讀性好，易移植，是普遍使用的一種高級計(jì)算機(jī)語言。缺點(diǎn)是占用的各種資源較多，執(zhí)行效率并沒有匯編高。采用匯編語言進(jìn)行程序的編寫。我們知道匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是所有語言中最接近機(jī)器碼的一種語言。主要優(yōu)點(diǎn)是它所占用的資源較少、程序執(zhí)行效率很高

34、。但是不同的cpu，其匯編語言可能有所差異，所以缺點(diǎn)是移植性差。c語言是一種高級計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的語言。它既具有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它既可以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言編寫工作的應(yīng)用程序，也可以作為一種設(shè)計(jì)語言。根據(jù)本設(shè)計(jì)筆者選擇的是用c語言編寫。通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行處理結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)顯示報(bào)警等功能。除此之外軟件部分還實(shí)現(xiàn)抗干擾。由于溫度濕度大氣壓力等引起的周圍環(huán)境的變化致使對濃度測試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響?？垢蓴_技術(shù)分為兩種：硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)(1)濾波技術(shù)：將電源變壓器的進(jìn)線段加入濾波器以消弱瞬變噪聲干擾；在直流電源線和地線之間接濾波電容。用來抑制電源產(chǎn)生的

35、噪聲。(2)去藕電路：在印刷電路板的各個(gè)集成電路的電源線端與地線端之間配置去藕電容。(3)屏蔽技術(shù)：屏蔽技術(shù)主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類。很多系統(tǒng)采用的是電磁場與電場屏蔽相結(jié)合的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛(wèi)起來。磁場屏蔽則應(yīng)采用高導(dǎo)磁率的材料。(4)光電隔離：在io通道上采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電器上隔離開來。很大一部分于擾可被阻擋。系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)的論證對于微機(jī)測控系統(tǒng)來說，僅僅只考慮硬件的抗干擾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不僅能降低系統(tǒng)的硬件成本。又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有自我診斷。自我恢復(fù)的

36、能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種：(1)數(shù)字濾波技術(shù)，采用數(shù)字濾波技術(shù)除去輸入信號中所摻雜的各種隨機(jī)干擾。(2)軟件陷阱技術(shù)：當(dāng)系統(tǒng)受到外界等各種干擾，其pc值可能發(fā)生變化，產(chǎn)生程序“亂飛”等各種情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在ram中埋一些特定的標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時(shí)，通過這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使其程序的運(yùn)行有其連續(xù)性。用戶在使用時(shí)也不是很容易察覺到程序曾經(jīng)已經(jīng)被重新復(fù)位過。第三章 硬件部分的設(shè)計(jì)3.1 at89c51的片內(nèi)結(jié)構(gòu)及引腳描述at89c51是美國atmel公司生產(chǎn)的高性能，低電壓cmo

37、s8位單片機(jī)。片內(nèi)含128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram）和4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（perom），它是根據(jù)atmel公司的高密度、非易失性等特性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強(qiáng)大的at89c51單片機(jī)提供出了許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可方便靈活的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域系統(tǒng)。at89c51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。它把這些可以作為控制應(yīng)用所必需的功能部件都集成在一個(gè)大小有限的集成電路芯片上。它由如下功能部件組成：微處理器(cpu) 程序存儲器(4kb flash rom) 數(shù)據(jù)存儲器(ra

38、m)4個(gè)8位可編程并行i/o口(p0口、pl口、p2口、p3口) 2個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器 1個(gè)全雙工串行口特殊功能寄存器(sfr)中斷系統(tǒng)以上各功能部件通過片內(nèi)單一總線相連接，基本的結(jié)構(gòu)依舊是傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式cpu加上外圍芯片。但cpu對各功能部件的控制卻又是大為不同的。它采用的是特殊功能寄存器的集中控制方式。 下面對圖3-1中的片內(nèi)各功能部件加以簡單介紹。 1.cpu(微處理器) at89c51單片機(jī)中有1個(gè)8位的cpu，與平時(shí)通用的cpu功能大致相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，但是其增加了面向控制的位處理和位操作和位處理的功能。 2.數(shù)據(jù)存儲器(ram) 片內(nèi)存儲器為128b

39、的存儲空間，片外存儲器最多可擴(kuò)展為64kb。片內(nèi)128b的ram，以高速ram的形式集成在單片機(jī)內(nèi)部，其功能是使單片機(jī)運(yùn)行的速度加快，而且這種結(jié)構(gòu)的ram還可以降低功耗。 3.程序存儲器(flash rom) 程序存儲器的作用是用來存儲程序的。at89c51片內(nèi)集成了4kb的flash存儲器，如果其片內(nèi)程序存儲器存儲的容量不夠，片外最多可外擴(kuò)程序存儲器至64kb。4. at89c51的中斷系統(tǒng)單片機(jī)中的中斷是指cpu暫停正在執(zhí)行的當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行請求cpu為其服務(wù)的那個(gè)程序，在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后再回到原程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷系統(tǒng)是指能夠處理上述中斷過程所需要的部分電路。at89c51

40、具有5個(gè)中斷源，。它們分別是兩個(gè)外部中斷源int0、int1，中斷信號從p3.2、p3.3引腳輸入；三個(gè)內(nèi)部中斷源：定時(shí)器0、定時(shí)器1溢出中斷、串行口中斷。每個(gè)中斷源都有相應(yīng)的中斷服務(wù)程序人口地址。除此之外其還有2級中斷優(yōu)先權(quán)5.定時(shí)器計(jì)數(shù)器單片機(jī)片內(nèi)共有2個(gè)16位的定時(shí)器計(jì)數(shù)器。簡稱為定時(shí)器0（t0）和定時(shí)器1（t1），t0和t1分別由兩個(gè)8位寄存器構(gòu)成，其中t0、 t1都是有高低八位構(gòu)成，即t0由th0（高8位）和tl0（低8位）構(gòu)成，t1由th1（高8位）和tl1（低8位）構(gòu)成。并且th0、tl0、th1、tl1都是sfr中的特殊功能寄存器。6.串行口 1個(gè)全雙工的串行口，具有4種工作方

41、式?？蛇M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行i/o口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 7. p0口、p1口、p2口、p3口在at89c51中有四個(gè)雙向并行i/o端口p0p3。每個(gè)端口都有八條輸入輸出端口線，故共有32條線，而且他們都配有端口鎖存器、輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)器。其作用為用于cpu與外部設(shè)備之間進(jìn)行信息的交換以及信息的傳輸。但由于每個(gè)端口的結(jié)構(gòu)各不相同，所以它們在功能和用途上都有較大的差別。 8.特殊功能寄存器(sfr)共有21個(gè)特殊功能寄存器，用于cpu對片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視。特殊功能寄存器實(shí)際上是片內(nèi)各個(gè)功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這些特殊

42、功能寄存器映射在片內(nèi)ram區(qū)80hffh的地址區(qū)間內(nèi)。9.內(nèi)部總線總線的作用是傳送信息的一組公用線。總線可分為三種：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。單片機(jī)內(nèi)的各種單元部件如cpu、存儲器、i/o接口等都是通過總線使其連接到一起的。采用總線結(jié)構(gòu)可以減少信息傳輸線的根數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，提高系統(tǒng)可靠性。at89c51單片機(jī)內(nèi)部總線采用的是單總線結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線是公用的。片內(nèi)所有的單元電路全部都掛在總線上，它們之間的信息傳遞和交換都要經(jīng)過內(nèi)部總線，并且采用的是分時(shí)操作、分時(shí)使用的方法，所以，這種分時(shí)復(fù)用的方法不會(huì)引起信息沖突或搶占總線的問題。圖3-1 89c51片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖目前89c51單片機(jī)

43、多采用40只引腳雙列直插封裝（dip）方式,其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：圖3-2 at89c51引腳圖at89c51單片機(jī)各引腳功能介紹： (1)vcc(第40引腳)：接十5v電源。(2)vss(第20引腳)：接地線。(3)xtal1(第19引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器電路的輸入端。使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。(4)xtal2(第18引腳)：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時(shí)該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。當(dāng)采用外接時(shí)鐘源時(shí)，引腳xtal1接收外部時(shí)鐘振蕩器的信號，xtal2懸空。 (5)rst(第9引腳)：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行

44、時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，就可以對單片機(jī)完成復(fù)位操作。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為之0.5v的低電平。(6) （第31引腳)為外部程序存儲器訪問允許控制端。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲器(4kb的flash存儲器)，但在pc值超過0fffh(即超出4kb地址范圍)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向訪問外部程序存儲器中的程序。當(dāng)引腳為低電平時(shí)，對程序存儲器的讀操作只限定在外部程序存儲器，地址為0000hffffh，片內(nèi)的4kb flash程序存儲器不起作用。為該引腳的第二功能，為編程電壓輸入端。對于89c51，在對片內(nèi)flash固化編程時(shí)，加在引腳的編程電

45、壓為+5v或+12v；對at89lv51，加在引腳的編程電壓為+12v。在編程校驗(yàn)時(shí)，該引腳接vcc。(7) (第30引腳) ale為低8位地址鎖存允許信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ale的負(fù)跳沿將po口發(fā)出的低8位地址鎖存在外接的地址鎖存器中，然后p0口再作為數(shù)據(jù)端口，以實(shí)現(xiàn)p0口的低8位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。 此外，單片機(jī)在運(yùn)行時(shí)，ale端一直有正脈沖信號輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的。該正脈沖信號可以作時(shí)鐘源或定時(shí)信號使用。但是要注意，每當(dāng)89c51訪問外部ram時(shí)(即執(zhí)行movx類指令時(shí))，要丟失一個(gè)從ale脈沖。因此，嚴(yán)格來說，用戶不宜用ale作為精確的時(shí)鐘源或定時(shí)信號。作為該引腳的第二功能，

46、對單片機(jī)片內(nèi)flash存儲器編程時(shí)，此引腳作為編程脈沖輸入端。(8) (第29引腳)：單片機(jī)片外程序存儲器的讀選通信號。在單片機(jī)執(zhí)行讀取外部程序存儲器時(shí)，此引腳可以作為輸出脈沖的負(fù)跳沿讀外部程序存儲器的選通信號。該引腳連線接外部程序存儲器的(輸出允許)端；在訪問外部ram時(shí)， 信號無效。(9)p0口：8位，漏極開路的雙向i/o口。 當(dāng)89c51擴(kuò)展外部存儲器及i/o接口芯片時(shí)，p0口作為地址總線(低8位)及數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用端口。 p0口也可作為通用的i/o口使用，但此時(shí)必需加上拉電阻，這時(shí)為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)作為普通的i/o口輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入l。p0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)ls型的ttl負(fù)載

47、電路。(10)p1口：8位，準(zhǔn)雙向i/o口，本身具有內(nèi)部上拉電阻。 p1口是專為用戶使用的準(zhǔn)雙向i/o口，當(dāng)作為普通的i/o輸入時(shí)，和p0口一樣，也應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入1。p1口只可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載。 (11)p2口：8位，準(zhǔn)雙向i/o口，也具有內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)89c51擴(kuò)展外部存儲器及i/o口時(shí)，p2口可輸出高8位地址。p2口也可作為普通的i/o口使用。當(dāng)作為普通的i/o輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入l。p2口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載。(12)p3口：8位，準(zhǔn)雙向i/o口，也具有內(nèi)部上拉電阻。 p3口既可以作為通用的i/o口使用。當(dāng)作為通用的i/o輸入時(shí)，也應(yīng)先向端口的輸

48、出鎖存器寫入1。p3口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載。p3口還可提供第二功能。其第二功能定義如表3-1所列:表3-1 p3口的第二功能定義引腳第二功能說明p3.0rxd串行數(shù)據(jù)輸入口p3.1txd串行數(shù)據(jù)輸出口p3.2外部中斷0輸入p3.3外部中斷1輸入p3.4t0定時(shí)器0外部計(jì)數(shù)輸入p3.5t1定時(shí)器1外部計(jì)數(shù)輸入p3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通輸出p3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通輸出復(fù)位是指單片機(jī)的初始化操作，只需給at89c51的復(fù)位引腳rst上加上大于2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平就可使at89c51實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位時(shí)，pc初始化為的地址為0000h，使at89c51單片機(jī)從0000h

49、單元開始執(zhí)行各種所要執(zhí)行的程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，其他情況也需要進(jìn)行初始化，例如當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)(如程序跑飛)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，也需按復(fù)位鍵使rst腳為高電平，使at89c51擺脫“跑飛”或“死鎖”狀態(tài)而重新啟動(dòng)。at89c51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路通常有兩種，采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡單的上電自動(dòng)復(fù)位電路如圖3-3所示。上電自動(dòng)復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電源接通時(shí)，只要vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用6mhz時(shí)，c取22，r取1。圖3-3 上電復(fù)位電路除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要

50、按鍵手動(dòng)復(fù)位，如圖3-4所示。手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下復(fù)位按鈕，電容c通過1電阻迅速放電，使rst端迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鈕松開后，電容通過r和內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使rst端恢復(fù)為低電平。圖3-4 手動(dòng)復(fù)位電路單片機(jī)工作時(shí)必須將其連接為單片機(jī)最小系統(tǒng)。所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)簡單的說就是能讓單片機(jī)能夠工作的最小電路，一般其包括：.電源.晶振.復(fù)位電路。如下為單片機(jī)最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖3-5 at89c51單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 氣敏傳感器人們?yōu)榱藦耐饨绔@取自己想要的信息，必須借助于各種感覺器官。但是僅僅靠人們自身的感覺器官，在研究各種自然現(xiàn)象和各種自然規(guī)律以及人們的生產(chǎn)生活,它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為解決這一

51、問題，就需要借助于傳感器。因此我們可以這樣講，傳感器是人類五官的延伸，人們又將他稱之為電五官。傳感器的作用早已涉及到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等各種廣泛的領(lǐng)域?？梢院翢o保留的說，從茫茫無際的太空到浩瀚無邊的海洋，乃至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎所有的現(xiàn)代化項(xiàng)目，都有各種各樣的傳感器的身影.3.2.1 氣敏傳感器分類一 半導(dǎo)體氣體傳感器氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的材料制成的。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面被吸附后，引起傳感器的電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型.半導(dǎo)體傳感器又可以分為電阻式

52、半導(dǎo)體傳感器和非電阻式半導(dǎo)體傳感器 （一） 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器（氣敏電阻）1.表面控制型氣敏電阻利用半導(dǎo)體材料表面吸附某種特定的氣體而引起氣敏元件電阻值發(fā)生變化的特性制成的。主要用于檢測各種可燃性氣體。半導(dǎo)體材料多數(shù)采用sno2和zno等難以還原的氧化物。工作原理:表面控制型氣體傳感器，當(dāng)其氣敏材料表面吸附有某種氣體時(shí)，半導(dǎo)體和被吸附的氣體之間會(huì)有電子的施受反應(yīng)發(fā)生，造成電子的遷移運(yùn)動(dòng)從而形成表面電荷層，最終引起該元器件電阻值的變化。2 體控制型氣敏電阻（1）三氧化二鐵類氣體傳感器 以g-fe2o3和a- fe2o3為主的多孔質(zhì)燒結(jié)體控制傳感器，主要用于檢測甲烷（ch4）和丙烷（c3h8）

53、氣體。 （2）鈣鈦礦類氣體傳感器在al2o3陶瓷基片上成形制作的鎳酸鑭薄膜敏感元件，適用于燃燒控制用氣體傳感器，測定空氣-燃料比,其熱穩(wěn)定性相當(dāng)良好。 3燃燒控制用氣體傳感器主要用于測定空氣-燃料比。半導(dǎo)體類氣體傳感器的電阻值隨溫度變化也較大，在高溫中空氣-燃料比的測量要求氣體傳感器在一定溫度范圍內(nèi)或進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償使其各種性能保持穩(wěn)定不變。 （二） 非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器1二極管氣體傳感器如果有氣體吸附在二極管的金屬與半導(dǎo)體的界面，而這種氣體又會(huì)對半導(dǎo)體的禁帶寬度或者金屬的功有影響的話，則會(huì)導(dǎo)致其整流特性發(fā)生變化。其檢測機(jī)理是由于吸附在鈀表面的o2由于h2濃度的增高而得到解吸，從而致使肖

54、特基勢壘降低，在一定的正向偏壓下，二極管的電流會(huì)增大。2mos二極管氣體傳感器檢測原理：利用mos二極管的c-u特性檢測h2。因?yàn)闊o柵偏置時(shí)，鈀在h2中的功函數(shù)比在空氣中時(shí)低，加?xùn)牌煤?，鈀吸附h2導(dǎo)致mos二極管的c-u特性向負(fù)偏壓方向平移，其敏感元件的光電特性也可檢測h2。3mos場效應(yīng)晶體管氣體傳感器檢測原理：mos場效應(yīng)晶體管漏極電流id由柵壓控制，將柵極與漏極短路，在源極與漏極之間加電壓，則id=b(u-ut)2式中，ut是id流過時(shí)的最小臨界電壓值；b是常數(shù)。由于ut會(huì)隨空氣中所含h2濃度的增高而降低，所以可以利用這一特性檢測h2以及容易分解出h2的氣體。其工作溫度：120150&

55、#176;c。3.2.2 半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （1）氣敏元件的電阻值 把電阻型氣敏元件在常溫潔凈空氣中的電阻值，稱之為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在(103105)范圍內(nèi)。 測定固有電阻值時(shí), 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的不同，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別會(huì)很大，即使對于同一個(gè)氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測定，其固有電阻值也會(huì)有所差別。因此，測量時(shí)的環(huán)境必須為潔凈的空氣環(huán)境。 (2)氣敏元件的靈敏度 氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對于所要測量氣體的敏感程度的一種指標(biāo)。它可以表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值

56、）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法主要有三種: （a）電阻比靈敏度k（b）氣體分離度rc1為氣敏元件在濃度為c1的被測量氣體中的阻值：r2為氣敏元件在濃度為c2的被測量氣體中的阻值。通常，濃度c1大于濃度c2。（c）輸出電壓比靈敏度kv=va/vg: va為氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上所輸出的電壓值；vg為氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上輸出的電壓值。（3）氣敏元件的分辨率氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識別能力（選擇）以及對其干擾氣體所產(chǎn)生的抑制能力。氣敏元件分辨率s表示為va為氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓值；vg為氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上輸出的電壓值vgi為氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓值。（4）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下