畢業(yè)論文煤氣泄漏檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院·嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 煤氣泄漏檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：對(duì)煤氣泄漏實(shí)時(shí)精確監(jiān)控是十分重要的。本文介紹一種基于單片機(jī)技術(shù)的智能型煤氣監(jiān)控系統(tǒng),可對(duì)煤氣濃度進(jìn)行智能地實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控、報(bào)警,而且還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉煤氣管道閥門(mén),經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行,精確度、靈敏度和穩(wěn)定性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,且造價(jià)低,操作方便,可廣泛作為智能報(bào)警器及監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)使用。本系統(tǒng)以ATMEGA16單片機(jī)為核心，論述了基于測(cè)控技術(shù)的煤氣泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的硬件和軟件方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。文中重點(diǎn)闡述了信號(hào)采集調(diào)理電路與語(yǔ)音電路的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)制作的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，具有實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理器;

2、一氧化碳傳感器；煤氣濃度；聲光報(bào)警；煤氣泄漏Design of Gas-leaking Monitoring and Alarming SystemAbstract：Accurate real-time monitoring of the gas leak is important. This paper describes a single chip technology based on intelligent gas monitoring system, the gas concentration can be intelligent in real time detection and

3、 monitoring, alarm, and can automatically open and close the gas pipeline valves, after several runs, precision, sensitivity and stability meet the design requirements, and low cost, easy to operate, can be widely as a smart alarm and monitoring system to use. This system uses the ATMEGA16 as contro

4、l core. This paper introduces the both scheme design and implement of hardware and software on the gas-leaking monitoring and alarming system based on measure and control technology. The experiment shows that the system of design and make satisfies the requirement, and holds better practicability.Ke

5、y words: Single chip processor;CO Sensor, Gas concentration, voice and light alarm, Gas-leaking 目錄第1章 緒 論41.1 課題背景、目的及意義41.1.1 課題的背景41.1.2 課題的目的及意義41.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容5第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)62.1 一氧化碳濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)62.1.1 CO傳感器原理介紹與選型62.1.2 NAP-505型一氧化碳傳感器介紹72.2 鍵盤(pán)及顯示電路接口設(shè)計(jì)82.2.1 鍵盤(pán)/顯示器電路設(shè)計(jì)92.3 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)122.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)132.4.1 聲

6、音報(bào)警電路13第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)163.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)163.2 開(kāi)機(jī)自檢模塊程序設(shè)計(jì)163.3 鍵盤(pán)處理、顯示模塊程序設(shè)計(jì)173.4 數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì)203.5 數(shù)據(jù)處理和報(bào)警、控制模塊程序設(shè)計(jì)21結(jié) 論23致 謝24參考文獻(xiàn)25第1章 緒 論本章主要介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究的背景、目的與作用，以及在本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)。1.1 課題背景、目的及意義1.1.1 課題的背景隨著我國(guó)燃起的變革及西氣東輸工程的進(jìn)行，煤氣或天然氣已成為多數(shù)家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的中毒事故中，因熱水器不當(dāng)或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問(wèn)題，造成的煤氣中毒事故，全國(guó)均有不少事例。有甚者，因室內(nèi)煤氣濃

7、度過(guò)高，引起的煤氣爆炸的事故也不少見(jiàn)。家用煤氣有時(shí)會(huì)因各種原因發(fā)生泄漏，煤氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種可燃性氣體遇到明火會(huì)發(fā)生燃燒甚至爆炸，所以在煤氣泄漏時(shí)打電話，使用家用電器的話，煤氣遇到電火花可能會(huì)發(fā)生爆炸事故。人呆在煤氣泄漏的空間內(nèi)，甲烷的不完全燃燒可能會(huì)生成一氧化碳，人體吸入有毒的一氧化碳后，一氧化碳將會(huì)迅速與血液中的紅細(xì)胞結(jié)合導(dǎo)致人體中毒昏迷，如果長(zhǎng)時(shí)間吸入泄漏的煤氣甚至?xí)l(fā)生中毒死亡隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的提高和生活環(huán)境的改善越來(lái)越重視，液化氣、煤氣進(jìn)入家庭的使用為人們帶來(lái)了方便，也改善了城市的環(huán)境，但同時(shí)也給人們帶來(lái)了潛在的危險(xiǎn)，其中一氧化碳是最主要的危險(xiǎn)源。當(dāng)今我國(guó)很

8、多煤礦企業(yè)由于對(duì)于礦井下的煤氣監(jiān)測(cè)和處理不夠及時(shí)，釀成了許多的慘劇，造成的工人生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)房間室內(nèi)和礦井進(jìn)行CO濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警成為保障群眾生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全的一項(xiàng)必不可少的工作。1.1.2 課題的目的及意義AT89系列單片機(jī)是控制系統(tǒng)常用的單片機(jī)，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，利用它完成的報(bào)警系統(tǒng)比較多，使用AT89系列構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的采樣煤氣濃度，能夠達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，而且AT89系列單片機(jī)相對(duì)于其它型號(hào)的單片機(jī)（AVR、ARM），更加易于學(xué)習(xí)和掌握，性能也相對(duì)比較好。同時(shí)掌握好了此系列的單片機(jī)的應(yīng)用，對(duì)于深入學(xué)習(xí)其他類(lèi)型的單片機(jī)是一個(gè)很好的基礎(chǔ)。本課題

9、需要完成一個(gè)完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及到電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制技術(shù)等多學(xué)科性知識(shí)，是一個(gè)硬軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)性題目。本課題融知識(shí)性與趣味性于一體，提供了一個(gè)有力的了解小家電設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)，能提高我的檢索資料的能力、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力、實(shí)際動(dòng)手的能力、分析排除故障的能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力等。并且，可以通過(guò)此次設(shè)計(jì)，很好的掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程、開(kāi)發(fā)步驟；熟悉單片機(jī)開(kāi)發(fā)的多種編程語(yǔ)言。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)的題目是“煤氣泄漏檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。選擇ATMEL公司的ATMEGA16單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，采用電化學(xué)型CO傳感器作為采集煤氣濃度的采集器，經(jīng)過(guò)系列處理實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣濃度進(jìn)行智能地實(shí)時(shí)

10、監(jiān)測(cè)、報(bào)警，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉煤氣管道閥門(mén)及排風(fēng)裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體任務(wù)如下：(1) 實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(2) 具有超限聲、光報(bào)警功能；(3) 根據(jù)報(bào)警狀況自動(dòng)關(guān)閉煤氣管道電磁閥并開(kāi)啟排風(fēng)機(jī)；(4) 設(shè)計(jì)并制作煤氣測(cè)量鍵盤(pán)、顯示等接口電路；(5) 性能指標(biāo)：一氧化碳測(cè)量精度為<3%；實(shí)現(xiàn)所有的硬件、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整體調(diào)試、形成可以正常運(yùn)行的產(chǎn)品為本次設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。將從系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)的調(diào)試等方面進(jìn)行介紹。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件是系統(tǒng)的載體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要涉及傳感器信號(hào)放大、采集、處理，鍵盤(pán)與顯示處理，聲光報(bào)警，執(zhí)行電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)供

11、電等多個(gè)部分。本章分為8節(jié)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。2.1 一氧化碳濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)2.1.1 CO傳感器原理介紹與選型1、電化學(xué)型氣體傳感器的基本原理按照檢測(cè)原理的不同，電化學(xué)氣體傳感器主要分為金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器、催化燃燒式傳感器、定電位電解式氣體傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器等等。目前，煙氣分析儀中使用較多的是定電位電解式氣體傳感器和迦伐尼電池式氧氣傳感器。其中定電位電解式氣體傳感器工作原理是：使電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進(jìn)行電解，通過(guò)改變其設(shè)定電位，有選擇地使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測(cè)各種氣體。其結(jié)構(gòu)是：在一個(gè)塑料制成的筒狀池體內(nèi)安

12、裝工作電極、對(duì)電極和參比電極，在電極之間充滿電解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。2、CO傳感器的比較與確定本次設(shè)計(jì)的使用群體主要針對(duì)的是普通家庭，在家庭中的煤氣濃度（CO濃度）一般不可能有太高，否則將引起很多的事故，即使有CO報(bào)警系統(tǒng)。針對(duì)大多數(shù)家庭的情況，設(shè)計(jì)中考慮的CO傳感器的測(cè)量范圍在0500ppm或者01000ppm，高于了此范圍的CO傳感器基本不使用于普通家庭。在市場(chǎng)考察中得知CO測(cè)量范圍在0500ppm或者01000ppm的傳感器類(lèi)型也相當(dāng)?shù)亩唷Ｆ┤缰袊?guó)饒陽(yáng)縣北核牌CO傳感器系列、中國(guó)威興達(dá)傳

13、感器廠的CO傳感器系列、瑞士Membrpor的CO傳感器系列、日本NEMOTO的CO傳感器系列等。傳感器選擇是主要考慮傳感器本身的輸出信號(hào)的大小，因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)越大，對(duì)后續(xù)放大電路要求就越低，這樣有利于硬件電路的設(shè)計(jì)。這些傳感器類(lèi)型中信號(hào)輸出最大的是瑞士Membrpor的CO傳感器系列，它的信號(hào)輸出可以達(dá)到50±10 nAppm以上；而中國(guó)威興達(dá)傳感器廠的CO傳感器系列只有1 nA 50 nAppm的輸出。本次選用的傳感器并不是輸出信號(hào)最大的，因?yàn)樵趦r(jià)格方面瑞士Membrpor的CO傳感器系列的價(jià)格都在500元RMBPCS以上，而輸出與其基本相當(dāng)?shù)闹袊?guó)饒陽(yáng)縣北核牌CO傳感器系列

14、也需要280元RMBPCS左右。而日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳傳感器的輸出只是40±10 nAppm，但是價(jià)格只在80120元RMBPCS，綜合各方面考慮，本次設(shè)計(jì)采用的是日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳傳感器。2.1.2 NAP-505型一氧化碳傳感器介紹NAP-505一氧化碳傳感器屬于電化學(xué)型傳感器，它采用了新的構(gòu)造，電解液泄露的風(fēng)險(xiǎn)較低到幾乎為零，體積小，大幅度的減低了成本。輸出信號(hào)直線性、重復(fù)再現(xiàn)性?xún)?yōu)越、不受濕度影響、電池可驅(qū)動(dòng)。其主要性能參數(shù)如表2-1所示。表2-1 NAP-505型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器主要性能參數(shù)表檢測(cè)氣體范圍CO 01000ppm

15、輸出電流40±10nA/ppm分辨率1ppm重復(fù)再現(xiàn)性±2%以?xún)?nèi)應(yīng)答時(shí)間<30s基準(zhǔn)線位移（-2050）<10ppm長(zhǎng)期穩(wěn)定性<5%/年環(huán)境溫度-2050環(huán)境濕度1590%RH使用壽命通常5年基本原理：在有一氧化碳的情況下，首先檢知電極發(fā)生如下的一氧化碳氧化反應(yīng)：CO + H2OCO2 + 2H+ + 2e-此時(shí)生成的電子分布在檢知電極，氫離子分布在電極旁邊的電解液中，形成兩層電。在此檢知電極和對(duì)向電極同外部電路相結(jié)合時(shí)，電子從檢知電極向?qū)ο螂姌O流動(dòng)。氫離子在電解液中移動(dòng)接受對(duì)向側(cè)電子，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)生成水。2H+ + O2 / 2 + 2e-H2O這樣

16、的電化學(xué)式氣體傳感器根據(jù)化學(xué)反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)）產(chǎn)生的能量，直接以電能的像是釋放出來(lái)，從而檢測(cè)出氣體。傳感器的氣體濃度與輸出電流特性如圖2-1所示。圖2-1 傳感器氣體濃度一輸出電流特性曲線2.2 鍵盤(pán)及顯示電路接口設(shè)計(jì)為了是系統(tǒng)更友好，在系統(tǒng)時(shí)需要鍵盤(pán)和顯示部分，這樣可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，讓用戶可以了解系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)。顯示器輸出顯示代碼和位代碼。因此，是一種功能較強(qiáng)、使用方便靈活的可編程鍵盤(pán)/顯示器接口電路。其中接口電路可與64點(diǎn)陣鍵盤(pán)鏈接。另外，還可以與傳感器或帶有選通的接口鍵盤(pán)連接，并且具有二鍵封鎖或N鍵巡回功能，可自動(dòng)消除按鍵抖動(dòng)。顯示接口電路可以與8位或16位數(shù)碼管顯示

17、器連接4。2.2.1 鍵盤(pán)/顯示器電路設(shè)計(jì)1、鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)4×4鍵盤(pán)，依靠8279來(lái)完成硬件掃描，以減少使用軟件處理的煩瑣問(wèn)題。鍵盤(pán)由09數(shù)字鍵、左移位鍵、確認(rèn)鍵、報(bào)警值設(shè)定鍵、時(shí)鐘設(shè)定鍵、閥門(mén)開(kāi)啟鍵、運(yùn)行鍵等16鍵組成。用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)完成人機(jī)接口的各種操作5。鍵盤(pán)設(shè)計(jì)如圖2-2所示。圖2-2 4×4鍵盤(pán)電路8279的鍵盤(pán)掃描輸出有兩種方式：譯碼掃描和編碼掃描。譯碼掃描即是4條掃描線在同一時(shí)間只有一條是低電平，并且以一定的頻率輪流更換。當(dāng)按鍵較多時(shí)則必須采取編碼掃描，此時(shí)SL0SL3輸出的是從00001111的二進(jìn)制計(jì)數(shù)代碼，但此時(shí)掃描輸出線不能直接用于鍵

18、盤(pán)的掃描，而必須經(jīng)過(guò)低電平有效輸出的譯碼器。本次設(shè)計(jì)中進(jìn)采用SL0SL2輸入到通用的低電平有效輸出的3-8譯碼器（74LS138）得到直接可用列檢測(cè)線，每根行檢測(cè)線（鍵碼回送線）接+5V的電源，并且節(jié)5.1K的上拉電阻，當(dāng)某個(gè)鍵按下去，該線被拉低。信號(hào)回送入8279內(nèi)部FIFO進(jìn)行處理有得出相應(yīng)的鍵值只有暫存，等待CPU讀取。此時(shí)會(huì)由8279的IRQ產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，經(jīng)由反相器連接CPU，如果CPU檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)則可以進(jìn)入讀鍵碼程序，當(dāng)CPU將鍵碼數(shù)據(jù)從FIFO中取走后，中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ將自動(dòng)撤銷(xiāo)。當(dāng)8279中FIFO的數(shù)據(jù)還未被取出就又有一個(gè)鍵被按下，則將該鍵代碼自動(dòng)進(jìn)入FIFO中，F(xiàn)

19、IFO堆棧有8個(gè)8位的存儲(chǔ)單元組成，允許依次暫存8個(gè)鍵的代碼。FIFO依循先進(jìn)先出的原則。FIFO中存在多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，只有將FIFO中的所有數(shù)據(jù)全部讀出之后IRQ信號(hào)才會(huì)撤銷(xiāo)。因此在實(shí)際輸入按鍵時(shí)，可以連續(xù)按8個(gè)鍵，即便是CPU沒(méi)有及時(shí)做出相應(yīng)。2、顯示電路設(shè)計(jì)LED顯示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮相應(yīng)的段被顯示。一般的，發(fā)紅光的LED每段流過(guò)的5mA的平均電流，就可以有較滿意的亮度，7mA電流會(huì)更亮些。10mA以上也不會(huì)再亮多少，但長(zhǎng)期運(yùn)行于10mA以上會(huì)縮短其壽命。最大電流平均值不

20、得超過(guò)30mA。顯示電路采用兩個(gè)4位7段LED共陰數(shù)碼管來(lái)顯示當(dāng)前輸入的CO濃度和時(shí)間。高4位顯示時(shí)間，由于專(zhuān)用的時(shí)間顯示數(shù)碼管沒(méi)有共陰，因此還以采用的是通用的顯示管；低4位LED數(shù)碼管則顯示當(dāng)前采樣的探頭號(hào)和該處采樣的CO濃度。數(shù)碼管與8279的接口電路如圖2-3所示。8279的OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3最為顯示段碼的輸出，而SL0SL2j經(jīng)過(guò)3-8譯碼器譯碼之后作為顯示器的位碼輸出，由于需要與鍵盤(pán)配合使用，因此顯示管必須選用共陰管。當(dāng)輸出口上有段碼輸出而且該數(shù)碼管被選中則該數(shù)碼管點(diǎn)亮，否則就熄滅，但是由于視覺(jué)誤差則會(huì)有全部被點(diǎn)亮的顯示，當(dāng)然這一些都有8279自行單獨(dú)完成。由

21、于8279數(shù)碼管輸出口的驅(qū)動(dòng)能力較弱，因此需要在顯示管前面加入驅(qū)動(dòng)芯片74LS244，其中U17實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管段驅(qū)動(dòng)，U18實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的位驅(qū)動(dòng)。這樣可以保證數(shù)碼管的亮度。 圖2-3 鍵盤(pán)/顯示器與8279接口電路2.3 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)涉及到很多電路、集成芯片多，又各自所需電壓不同，為了符合每一部分的電壓需要。我們必須把電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)7809、7909分別產(chǎn)生正負(fù)9V電壓給AD620，用7805產(chǎn)生5V電壓給ATmega16單片機(jī)、ISD1420語(yǔ)音芯片、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等外圍接口電路供電。根據(jù)題目要求我們?cè)O(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源電路圖如圖2-4和圖2-5所示。圖2-4 正5V穩(wěn)壓電

22、路圖2-5 正負(fù)9V穩(wěn)壓電路圖2-4中輸入電壓由整流橋先進(jìn)行整流，然后經(jīng)過(guò)7805進(jìn)行穩(wěn)壓之后輸出+5V電壓。電路中接入C10和C22是用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激勵(lì)振蕩和抑制電路引入的高頻干擾。電解電容C25用以減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D為保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)，給輸出電容C25一個(gè)放電通路，防止C25兩端電壓作用與7805管的be結(jié)，造成7805管be結(jié)擊穿而損壞6。圖2-5中的電路給圖2-4基本相同，不同的就是穩(wěn)壓管采用的是7809和7909實(shí)現(xiàn)正負(fù)9V的穩(wěn)壓調(diào)整。圖中的J6和J9兩個(gè)接線端口是為了方便直接輸入直流電壓而設(shè)計(jì)，當(dāng)外界有適合的直流電壓是可

23、以直接接入進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出供電。2.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)為“煤氣泄露檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”，因此聲光報(bào)警部分屬于系統(tǒng)的核心部分，只有很好的完成了本部分的設(shè)計(jì)，才能使系統(tǒng)較為的完善。報(bào)警意為提醒系統(tǒng)使用者能及時(shí)了解使用場(chǎng)所煤氣濃度超過(guò)設(shè)定值，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理。以下就對(duì)系統(tǒng)的聲光報(bào)警部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。2.4.1 聲音報(bào)警電路聲音報(bào)警電路設(shè)計(jì)了語(yǔ)音報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警，主要是考慮不同使用者對(duì)報(bào)警裝置的要求不同（包括價(jià)格、使用場(chǎng)所、安裝環(huán)境等各個(gè)方面因素）。采用語(yǔ)音提示也就比單獨(dú)的蜂鳴器更加人性化，對(duì)于相對(duì)安靜的環(huán)境中較為適用，因?yàn)檎Z(yǔ)音放大有一定的限制；而蜂鳴器的尖叫聲有更強(qiáng)的穿透力，更容易引起使用者

24、的重視。1）、ISD1420語(yǔ)音芯片介紹ISD1420為美國(guó)ISD公司出品的優(yōu)質(zhì)單片語(yǔ)音錄放電路，由振蕩器、語(yǔ)音存儲(chǔ)單元、前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個(gè)最小的錄放系統(tǒng)僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按鈕、一個(gè)電源、少數(shù)電阻電容組成。錄音內(nèi)容存入永久存儲(chǔ)單元，提供零功率信息存儲(chǔ)，語(yǔ)音和音頻信號(hào)被直接存儲(chǔ)，以其原本的模擬形式進(jìn)入EEPROM存儲(chǔ)器。不僅語(yǔ)音質(zhì)量?jī)?yōu)勝，而且斷電語(yǔ)音保護(hù)。2）、芯片特點(diǎn)及引腳圖介紹芯片特點(diǎn)： 使用方便的單片錄放系統(tǒng)，外部元件少，重現(xiàn)優(yōu)質(zhì)原聲，沒(méi)有常見(jiàn)的背景噪音 圖2-6 ISD1420芯片引腳圖 信息可保存100年，可反復(fù)錄放10萬(wàn)次，無(wú)

25、需專(zhuān)用編程或開(kāi)發(fā)系統(tǒng) 較強(qiáng)的分段選址能力可處理多達(dá)160段信息 具有自動(dòng)節(jié)電模式，錄或放后立即進(jìn)入維持狀態(tài)，僅需0.5A電流 單一5伏電源供電 ISD1420語(yǔ)音芯片引腳圖如圖2-6所示。以下介紹個(gè)引腳功能：錄音（/REC）低電平有效。只要/REC 變低（不管芯片處在節(jié)電狀態(tài)還是正在放音），芯片即開(kāi)始錄音。錄音期間，/REC 必須保持為低。/REC 變高或內(nèi)存錄滿后，錄音周期結(jié)束，芯片自動(dòng)寫(xiě)入一個(gè)信息結(jié)束標(biāo)志（EOM），使以后的重放操作可發(fā)及時(shí)停止。邊沿觸發(fā)放音（/PLAYE）此端出現(xiàn)下降沿時(shí)，芯片開(kāi)始放音。放音持續(xù)到 EOM 標(biāo)志或內(nèi)存結(jié)束。電平觸發(fā)放音（/PLAYL）此端出現(xiàn)下降沿時(shí)，芯片

26、開(kāi)始放音話筒輸入（MIC）此端邊至片內(nèi)前置放大器。片內(nèi)自動(dòng)增益控制電路（AGC）將前置增益控制在-15至 24dB。外接話筒應(yīng)通過(guò)串聯(lián)電容耦合到此端。自動(dòng)增益控制（AGC）AGC動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器整前置境益以補(bǔ)償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化很大的音量時(shí)失真都能保持最小。470K和4.7uF 的標(biāo)稱(chēng)值在絕對(duì)大多數(shù)場(chǎng)合下可獲得滿意的效果。模擬輸入（ANA IN）此端即芯片錄音的輸入信號(hào)。對(duì)話筒輸入來(lái)說(shuō)，ANA OUT 端應(yīng)通過(guò)外接電容 連至本端。該電容和本端的 3K輸入阻抗給出了芯片頻帶的附加低端截止頻率。喇叭輸出（SP+、SP-）這對(duì)輸出端能驅(qū)動(dòng) 16以上的喇叭。單端使用時(shí)必須在輸出端和喇叭間接

27、耦合電容，而雙端輸出既不用電容又能將功率提高4倍。錄音時(shí)，它們都呈高阻態(tài)；節(jié)電模式，它們保持為低電平。 地址（A0A7）地址端有兩個(gè)作用，取決于最高（MSB）兩位A7、A6的狀態(tài)。當(dāng)A7或A6有一個(gè)為0時(shí)，所有輸入均釋放為地址位，作為當(dāng)前錄放操作的起始地址。地址端只用輸入，不輸出操作過(guò)程的內(nèi)部地址信息。在生活中主要應(yīng)用的主要是聲音報(bào)警，而光報(bào)警主要是對(duì)聲音報(bào)警的一種補(bǔ)充方式。因此在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光報(bào)警電路是采用發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)。報(bào)警狀態(tài)，指示燈為紅燈閃爍；正常工作狀態(tài)，指示燈為綠燈。光報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖3-23所示。當(dāng)單片機(jī)的P1.3和P1.4為低電平時(shí)指示燈就被點(diǎn)亮，電阻R1和R2的作用是限流

28、，使二極管達(dá)到較佳的亮度且不至被損壞；至于什么時(shí)候需要點(diǎn)亮哪個(gè)二極管就需要程序來(lái)控制。第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編制，包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化、鍵盤(pán)處理、信號(hào)采集及處理、時(shí)鐘和信息顯示、濃度超限報(bào)警、閥門(mén)關(guān)閉、啟動(dòng)排氣裝置及與上位機(jī)通信。根據(jù)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，程序采用結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程框圖如圖3-1所示。YN開(kāi)始系統(tǒng)自檢初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)鍵盤(pán)處理程序采樣值>=設(shè)定值?報(bào)警、控制程序顯示子程序AD采樣子程序通信程序(可選)顯示子程序等待中斷圖3-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程框圖3.2 開(kāi)機(jī)自檢模塊程序設(shè)計(jì)開(kāi)

29、機(jī)自檢設(shè)計(jì)在電源接通或者是系統(tǒng)復(fù)位之后，自檢中如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就進(jìn)入測(cè)控程序，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則及時(shí)報(bào)警，以避免測(cè)控系統(tǒng)帶病工作。本次設(shè)計(jì)僅僅設(shè)計(jì)了對(duì)CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的校驗(yàn)程序，采用破壞性校驗(yàn)選用，只能用于開(kāi)機(jī)自檢；主要是選用特征字55H（01010101B）和AAH（10101010B），分別對(duì)每一個(gè)單元進(jìn)行先寫(xiě)后讀的操作。其自檢程序流程圖如圖4-2所示，主要是先對(duì)RAM的某個(gè)單元進(jìn)行AAH的寫(xiě)入與讀出，將讀出值與寫(xiě)入值相比較，如果相同的話說(shuō)明該單元正常，再進(jìn)行55H的寫(xiě)入、讀出和比較。如果某個(gè)單元出現(xiàn)寫(xiě)入與讀出的值不相同，則說(shuō)明RAM中有損壞，執(zhí)行內(nèi)存錯(cuò)誤提示。否則就執(zhí)行正常運(yùn)行程序。

30、YYYRAM自檢開(kāi)始建立地址指針寫(xiě)入AAH并讀出寫(xiě)入55H并讀出讀寫(xiě)相符嗎？讀寫(xiě)相符嗎？地址指針+1最后一單元？PASS標(biāo)志結(jié) 束Error標(biāo)志NNN圖3-2 自檢程序流程圖3.3 鍵盤(pán)處理、顯示模塊程序設(shè)計(jì)為了讓人機(jī)交流部分更友好，本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了4×4鍵盤(pán)和8位LED顯示，包括09數(shù)字鍵、左移位鍵、確認(rèn)鍵、報(bào)警值設(shè)定鍵、時(shí)鐘設(shè)定鍵、閥門(mén)開(kāi)啟鍵、運(yùn)行鍵等l6鍵，現(xiàn)場(chǎng)煤氣濃度顯示和時(shí)間顯示，方便使用者進(jìn)行相應(yīng)的控制操作和了解現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)情況。YYN開(kāi)始設(shè)置8279掃描方式和時(shí)鐘頻率是否有鍵按下？讀入鍵值是運(yùn)行鍵？N進(jìn)入主程序結(jié)束YN閥門(mén)開(kāi)啟鍵？開(kāi)啟閥門(mén)N時(shí)鐘設(shè)定鍵？進(jìn)入時(shí)間設(shè)定程序設(shè)定結(jié)

31、束Y報(bào)警值設(shè)定鍵？進(jìn)入報(bào)警值設(shè)定程序設(shè)定結(jié)束YN結(jié)束圖3-3 鍵盤(pán)處理主程序流程圖在軟件部分也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的程序，主要是運(yùn)用程序讀取8279中的鍵盤(pán)處理值，讓CPU將這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)不同的鍵值進(jìn)行不同的處理。其鍵盤(pán)處理主程序流程圖如圖3-3所示，主要是如果有鍵碼輸入提示，則將鍵值讀入，判斷是否有大功能鍵（運(yùn)行鍵、閥門(mén)開(kāi)啟鍵、時(shí)鐘設(shè)定鍵、報(bào)警值設(shè)定鍵）按下，如果有則進(jìn)入相應(yīng)的子程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理13，如果不是則返回最初狀態(tài)的檢測(cè)。開(kāi)始程序暫存、設(shè)置信息有鍵按下？NY調(diào)用顯示程序確認(rèn)鍵？讀入鍵值Y保存數(shù)據(jù)設(shè)定結(jié)束N左移鍵？Y數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址+1調(diào)用顯示NN設(shè)置數(shù)字鍵查詢(xún)信息數(shù)字鍵？Y暫存數(shù)字信息

32、查詢(xún)指針+1查表查詢(xún)完？YN返回返回返回圖3-4 時(shí)鐘、報(bào)警濃度值設(shè)定程序流程圖時(shí)間設(shè)定程序流程框圖和報(bào)警值設(shè)定程序流程框圖如圖3-4所示。由于時(shí)間設(shè)定程序和報(bào)警值設(shè)定程序基本相同，因此程序流程圖畫(huà)在了一起。當(dāng)功能鍵按下之后進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)置程序中，首先判斷是否有按鍵按下，如果沒(méi)有則繼續(xù)等待；如果有就則判斷是否為小功能鍵（左移鍵、確定鍵）：如果是左移鍵則將接受數(shù)據(jù)的地址相應(yīng)加或者減1，顯示相應(yīng)的左移一位；如果為確定鍵則將先前輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并退回到鍵盤(pán)處理主程序中。若果不是小功能鍵，則判斷是否為數(shù)字鍵，若不是則什么都不做，若是則判斷是哪位數(shù)字，將讀入的數(shù)字信息存入暫存數(shù)據(jù)的單元，以便保存。因此在

33、進(jìn)入時(shí)間設(shè)置或者是報(bào)警值設(shè)置時(shí)不能進(jìn)行大功能鍵（運(yùn)行鍵、閥門(mén)開(kāi)啟鍵、時(shí)鐘設(shè)定鍵、報(bào)警值設(shè)定鍵）的相應(yīng)操作。在報(bào)警值設(shè)定中考慮輸入的數(shù)據(jù)只需要有3位，在最高位則是設(shè)置需要采集的傳感器路數(shù)，由于ADC0809只有8路輸入，因此該位最大設(shè)置也只需要8。NY設(shè)置顯示方式、顯示數(shù)據(jù)指針，啟動(dòng)8279入口讀取數(shù)據(jù)，查表獲得相應(yīng)顯示碼向8279送入顯示數(shù)據(jù)顯示完成？數(shù)據(jù)指針+1返回圖3-5 顯示程序流程圖顯示程序流程圖如圖3-5所示。由于顯示基本全部由8279硬件完成，因此顯示控制部分只需要給8279的對(duì)應(yīng)顯示RAM內(nèi)輸入需要顯示的數(shù)據(jù)，由8279進(jìn)行顯示處理。因此顯示也控制程序相對(duì)較為簡(jiǎn)單，進(jìn)入控制顯示程

34、序后首先需要設(shè)置顯示方式、顯示數(shù)據(jù)的指針及數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，之后啟動(dòng)8279并向顯示RAM內(nèi)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，輸入完畢之后返回調(diào)用程序。3.4 數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集部分是根據(jù)設(shè)定的采集時(shí)間間隔，啟動(dòng)ADC0809對(duì)外部輸入的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號(hào)讀入CPU。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖4-6所示，在啟動(dòng)AD0809之前，需要設(shè)置輸入數(shù)據(jù)保存的首地址，讀入先前設(shè)置的采集路數(shù)，使用者可以根據(jù)實(shí)際的AD轉(zhuǎn)換路數(shù)來(lái)設(shè)置程序中的轉(zhuǎn)換的路數(shù)。選中IN0并啟動(dòng)ADC0809，只有需要延時(shí)等待轉(zhuǎn)換完成。由于ADC0809的工作平率為500kHz，完成一次AD轉(zhuǎn)換需要大約100110s，因此程序中延時(shí)

35、等待時(shí)間約為128s。之后就可以判斷是否轉(zhuǎn)換完成，如果完成則讀入數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有完成在繼續(xù)等待完成，如此循環(huán)直到將全部的路數(shù)采集完成。入口設(shè)置數(shù)據(jù)保存地址讀入采集總路數(shù)NY選擇通道，啟動(dòng)AD是否轉(zhuǎn)換完？延時(shí)Y返回N讀入、保存數(shù)據(jù)全部采集完？采集路數(shù)+1數(shù)據(jù)保存地址+1更新顯示第0路信息圖3-6 數(shù)據(jù)采集程序流程圖3.5 數(shù)據(jù)處理和報(bào)警、控制模塊程序設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)判別煤氣濃度的測(cè)量值，當(dāng)測(cè)量濃度高于設(shè)定值時(shí)，程序指示電磁閥將煤氣管道關(guān)閉，開(kāi)啟排風(fēng)扇是監(jiān)測(cè)地點(diǎn)加強(qiáng)通風(fēng)，降低煤氣濃度。然后開(kāi)啟光電報(bào)警系統(tǒng)，提示使用者及時(shí)進(jìn)行事故處理。報(bào)警、控制程序流程圖如圖3-7所示，程序設(shè)置從地0路輸入的數(shù)據(jù)開(kāi)始與設(shè)定報(bào)警值比較，如果出現(xiàn)高于或等于報(bào)警值的情況，則進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，關(guān)閉煤氣通道閥門(mén)、開(kāi)始排風(fēng)扇、開(kāi)啟聲光報(bào)警、向上位機(jī)通信，最后等待外部中斷或者是復(fù)位。如果沒(méi)有出現(xiàn)高于或者等于報(bào)警設(shè)定值的情況，則返回主程序等待下一次的采樣輸入。由于當(dāng)空氣中一氧化碳濃度達(dá)到35ppm時(shí)就會(huì)對(duì)兒童智商造成損害，加上在使用煤氣的環(huán)境中正常時(shí)有10ppm左右的煤氣濃度值，因此本次設(shè)計(jì)中把初始報(bào)警濃度值設(shè)定為20ppm。入口設(shè)置數(shù)據(jù)首地址讀入比較總路數(shù)NY更新顯示是否超限？調(diào)用通信程序發(fā)送超限值和時(shí)間Y返回N讀取數(shù)據(jù)、比較全部比較完？濃度數(shù)據(jù)地址+1關(guān)閉煤氣管道閥門(mén)開(kāi)啟排風(fēng)扇開(kāi)啟聲光報(bào)警圖3-7 報(bào)警、控制程序流程