基于單片機的礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、XXXX本科畢業(yè)設計(論文)分類號 單位代碼 密 級 學 號 學生畢業(yè)設計（論文）題 目基于單片機的礦井瓦斯檢測系統(tǒng)設計作 者院 (系)能源工程學院專 業(yè) 指導教師答辯日期 2013年6月1日1X X 學 院畢業(yè)設計（論文）誠信責任書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業(yè)設計（論文）中凡引用他人已經發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人畢業(yè)設計（論文）與資料若有不

2、實，愿意承擔一切相關的法律責任。 論文作者簽名: 年 月 日摘 要近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，煤炭的消費量持續(xù)增長，特別是近幾年，煤炭的價格在不斷提升，對煤炭的產量提出了更高的要求。但是，在實際的煤炭生產中，礦難事故不斷發(fā)生。我國煤炭生產中每年的礦難死亡人數(shù)近萬人，因此，我們不得不將更多的注意力放到煤炭生產的安全方面。礦難的原因有多種多樣，其中由于瓦斯而引起的礦難事故占到了相當大的一部分。本設計就基于AT89S52單片機的礦井瓦斯檢測系統(tǒng)的研究。本設計以AT89S52單片機為核心，并結合外圍元件甲烷傳感器、A/D轉換芯片、LCD液晶顯示器等組成。設計出實現(xiàn)對甲烷的識別、閾值報警及濃度顯示的

3、礦井瓦斯檢測系統(tǒng)。它將氣體的成分、濃度等有關的信息轉換成電信號，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警。目前，人們對氣體傳感器的測試方法主要停留在人工手動操作，因此開發(fā)出一種實用高效的智能化傳感器測試裝置是極為必要的。本設計利用Protel軟件設計電路，運用Keil軟件對它編程，利用Proteus仿真來實現(xiàn)其功能。實驗證明，本設計不但操作方便，而且還能更好的防御和減少由于瓦斯而引起的礦難事故。關鍵詞：單片機；傳感器；甲烷；報警 Mine Gas Detection System Based on Single Chip Design ABSTRACT In recent years, with Chin

4、as rapid economic development, coal consumption continued to grow, especially in recent years, coal prices rising, has put forward higher requirements for the coal production. However, in the actual production of coal, coal mine accidents continue to occur. The annual coal production in China killed

5、 nearly ten thousand people, therefore, we have to pay more attention to the safety of coal production. Mine reasons are varied, which caused by the gas accidents accounted for a considerable portion of. The design is based on the research of coal mine gas detection system based on AT89S52.This desi

6、gn uses AT89S52 microcontroller as the core, combined with peripheral component of methane sensor, A/D converter chip, LCD liquid crystal display etc. Design of mine gas detection system display and concentration of recognition, on methane alarm threshold.It the gaseous component,the density and so

7、on the related information transformed the electrical sinal,thus was allowed to carry on the examination,the monitoring,reports to the police;At present,the people to were mad the sensitive sensor the rest method mainly pauses is using the artificial manual way to operate,develops one kind of practi

8、cal highly effective intellectualized sensor testing device is extremely essential.This design using Portal software circuit design, using Kiel software to programming, to achieve its function by using Proteus simulation. Experiments prove that this design not only convenient operation, but also bet

9、ter defense and decrease due to gas accidents. Key words: MCU; Sensor; Methane; Alarm目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1本設計所研究的背景及意義11.2國內外的發(fā)展狀況11.3 本章小結22 礦井瓦斯檢測系統(tǒng)的方案設計32.1 本設計的性能指標32.2 轉換芯片的選擇32.3 顯示模塊的選擇52.4 傳感器的選擇72.5 總體結構設計92.6 本章小結93 硬件電路設計113.1單片機最小系統(tǒng)設計113.1.1 AT89S52單片機簡介113.1.2 時鐘電路設計123.1.3 復位電路設計13

10、3.2 電源電路設計133.3 報警電路設計143.4 顯示電路設計143.5 甲烷氣體采集電路設計153.6 本章小結184 軟件設計194.1主程序設計194.2 模數(shù)轉換程序設計194.3 聲光報警程序設計204.4 液晶顯示程序設計214.5 本章小結225 系統(tǒng)仿真及調試235.1 proteus簡介245.2 Keil軟件介紹245.3 仿真及調試過程256 存在問題及分析277 總結29參考文獻31致謝33附錄A 總原理圖35附錄B 仿真圖37附錄C PCB圖39附錄D 實物圖41附錄E 總程序43471 緒論1.1本設計所研究的背景及意義隨著我國經濟的快速發(fā)展，煤炭的消費量持續(xù)

11、增長，特別是近幾年，煤炭的價格在不斷提升，對煤炭的產量提出了更高的要求。但是，在實際的煤炭生產中，礦難事故不斷發(fā)生。我國煤炭生產中每年的礦難死亡人數(shù)近萬人，因此，我們不得不將更多的注意力放到煤炭生產的安全方面。礦難的原因有多種多樣，其中由于瓦斯而引起的礦難事故占到了相當大的一部分。瓦斯是多種易燃易爆氣體的總稱，其主要成分是甲烷，它是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層中的氣體，濃度過高時會導致人缺氧、呼吸困難、窒息等。當它與空氣混合的百分比達到3.5%到16%時，遇到明火就會發(fā)生爆炸，給國家和人民的生命財產造成巨大的損失。所以，對瓦斯的濃度進行實時的檢測和報警以及對其采取相應的控制措施在煤礦系統(tǒng)中

12、有著非?，F(xiàn)實的意義。由于我國檢測技術應用較晚，所以我國當前對瓦斯的檢測設備還存在很多的問題，例如，檢測設備的壽命周期短，易受礦井不良壞境的影響并且會導致檢測設備的工作性能不穩(wěn)定、檢測結果不準確，容易出現(xiàn)誤報警等現(xiàn)象，維護周期短且費用高?？紤]到現(xiàn)代單片機的體積小、集成度高、速度快、穩(wěn)定性好、價格低且應用領域廣等特點，所以基于單片機的礦井瓦斯檢測系統(tǒng)設計是勢在必行的。本設計中是以AT89S52單片機作為硬件電路核心開發(fā)出一種操作簡單的檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)對甲烷的識別、濃度監(jiān)測、閾值報警以及濃度顯示，為更好的防御和減少由于瓦斯而引起的礦難事故。AT89S52不僅具有AT89C51的全部功能，而且還增加了高

13、可靠性、安全性的功能。從經濟的角度來看，AT89S52不但硬件結構簡單，并且價格低、功能強、性價比高，符合我國工業(yè)設計制造的要1。1.2國內外的發(fā)展狀況 世界各國均有煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，如法國的TF200、德國的MINOS、英國的Senturion-200、美國的HIMASS等。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術理論上講高于國內的發(fā)展水平，但要用于國內的煤礦生產中還有一定的局限性，我們可在技術上借鑒和參考。1815年，當時工業(yè)最發(fā)達的英國發(fā)明了安全燈，它是利用火焰的高度測量瓦斯的濃度。1897年瑞典造出了第一臺容積壓力式瓦斯?jié)舛葴y量儀。隨著礦井開采深度的增大和檢測技術的發(fā)展，礦井安全設施也得到了進一步的提高，1

14、927年日本制造出光干涉原理甲烷檢定器，此后又逐漸出現(xiàn)熱催化、熱導原理等各種不同原理的瓦斯檢測儀器，其測量精度也越來越高，檢測的方式也從“間斷”、“就地”檢測發(fā)展到“連續(xù)”、“集中自動”遙測。1961年以后，前蘇聯(lián)、英、法、美、日、德等國家對其進行改進研究，并從此作為瓦斯檢測的主要工作方向。我國瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術的研究工作起步較晚，國內第一臺催化原理的瓦斯報警器是1958年出現(xiàn)，采用鉑絲元件位傳感器。1961年，由北京勞動保護研究所和和撫順煤礦安全儀器廠協(xié)作開展了研究工作，于1964年研制出我國第一個達到實用水平的載體催化元件，接著制成了以這種元件位傳感器的AQR-1型瓦斯測量儀。隨著電子計算機

15、技術的應用，一套監(jiān)測系統(tǒng)除了能檢測出甲烷的濃度外，還可測一氧化碳、氫氣的濃度，同時又可以對井下設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。代表了我國煤礦瓦斯監(jiān)控技術水平的系統(tǒng)有以下系統(tǒng)：KJ90NB系統(tǒng)、KJ101N系統(tǒng)、KJ333系統(tǒng)、KJ95N系統(tǒng)等，其技術水平主要表現(xiàn)在軟硬件的功能、穩(wěn)定性與可靠性、專業(yè)技術的服務能力、企業(yè)的性質以及生產規(guī)模等方面。目前主要有三類瓦斯檢測系統(tǒng)在我國礦井中正在被運行：一是上世紀80年代初期，引進了一批英、法、美、波蘭等國家的安全監(jiān)控系統(tǒng)，并通過消化和吸收研制出適用于我國煤礦實際情況的監(jiān)控系統(tǒng)，由于當時技術水平低和維護跟不上等原因系統(tǒng)已面臨更新改造的機遇；二是20世紀90年代后期

16、，國內各主要科研單位和生產廠家又相繼推出了MSNM、WEBGIS、KJF2000等監(jiān)控系統(tǒng)，但是整個系統(tǒng)的信息傳輸速率最高只能達到5000bps；三是21世紀以來，各個瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)生產廠家都在原有基礎上推出了升級系統(tǒng)2。因此，根據(jù)我國的煤礦生產和管理模式，依照我國的有關技術標準，其技術的先進性、產品的可靠性和實用性則是本項目的關鍵所在，而且基于單片機的礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)生產具有十分廣泛的現(xiàn)實市場和潛在的市場需求。1.3 本章小結通過以上，了解了礦井瓦斯檢測系統(tǒng)在國內外的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢，對礦井瓦斯檢測系統(tǒng)有了一個新的認識，也明確了在研究本設計時需要做哪些方面的研究，知道了研究礦井瓦

17、斯檢測系統(tǒng)是很有意義的，增加了更多的熱情和動力去完成本設計。 2 礦井瓦斯檢測系統(tǒng)的方案設計2.1 本設計的性能指標顯示功能：檢測到瓦斯時就會顯示其濃度。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控功能：采用模擬系統(tǒng)，設定閾值為某值，當瓦斯?jié)舛冗_到這一值時，蜂鳴器響同時燈亮給工作人員信號。復位功能：設備出現(xiàn)故障或者需要調整時，按復位鍵實現(xiàn)初始化。2.2 轉換芯片的選擇A/D轉換器是監(jiān)測系統(tǒng)中一個非常重要的一個環(huán)節(jié)，它的種類多、性能各異、引腳功能也各不相同。本設計采用ADC0809，其管腳引腳圖如圖2-1所示，它的分辨率為八位。ADC0809具有8個通道的模擬輸入線(IN0IN7)，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉換，獲得

18、8位二進制數(shù)字量(D7D0)。模擬輸入部分有8路多路開關，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇，ALE為地址鎖存信號，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉換電路，由CLK控制的內部電路的工作,START為啟動命令，高電平有效，啟動ADC0809內部的A/D轉換，當轉換完成，輸出信號EOC有效，OE為輸出允許信號端，高電平有效，打開輸出三態(tài)緩沖器,把轉換后的結果送DB。本設計所采用的CMOS單片型逐次逼近式的A/D轉換器為ADC0809，它由以下的電路所組成，即8路模擬開關、比較器、地址鎖存器和譯碼器、8位開關樹型D/A轉換器、三態(tài)輸出鎖

19、存器、逐次逼近寄存器等。所以，該A/D轉換器能處理8路模擬量的輸入，并且還有三態(tài)輸出得能力，不僅能連接各種微處理器，還能單獨工作。其輸入輸出與TTL兼容。ADC0809芯片采用了雙列直插式的封裝，擁有28條引腳，各引腳功能說明如下： IN0IN7：8路模擬量的輸入端口；D0D7：8位數(shù)字量的輸出端口；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址的輸入線，作為選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號輸入端，上升沿有效, 當此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應模擬通道。在使用時，該信號常和START信號連在一起，以便同時鎖存通道地址和啟動A/D轉換； START：啟動信號輸

20、入端，負跳變有效； EOC：轉換結束信號輸出端，正在轉換時為低電平，轉換結束時為高電平；該信號可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號，也可作為對CPU的中斷請求信號。在需要對某個模擬量不斷采樣、轉換的情況下，EOC也可作為啟動信號反饋接到START端，但在剛加電時需由外電路第一次啟動；OE：輸出允許控制端，輸入高電平有效，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器在中斷工作方式下，該信號往往是CPU發(fā)出的中斷請求響應信號；CLK：時鐘信號輸入端。要求時鐘頻率不超過640kHz；REF（+）、REF（-）：基準電壓輸入端,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值； VCC：工作時電壓為5V；GND：接地。ADC0809引腳

21、圖如圖2-1所示,它的主要特性有：(1) 8路8位A/D轉換器，分辨率為8位；(2) 具有轉換起停的控制端口；(3) 轉換時間大約是100s；(4) 單電源供電，供電電壓為5V；(5) 模擬輸入的電壓范圍是05V，不需要滿刻度與零點校準；(6) 工作溫度的范圍是-4085；(7) 低功耗，大約是15mW；(8) 輸出與TTL兼容；(9) 可鎖存三態(tài)輸出，能與8位微處理器接口； 圖2-1 ADC0809管腳圖 ADC0809的工作過程是：當模擬量送至某一輸入通道IN0后，CPU將標識該通道編碼的三位地址信號經數(shù)據(jù)線或地址線輸入到ADDC、ADDB、ADDA引腳上。然后輸入3位地址，并使ALE=1

22、，將地址存入地址鎖存器中。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，然后EOC輸出信號變低，進行指示轉換，直到完成A/D轉換。轉換開始,EOC變成高電平，指示A/D轉換的結束，此時結果數(shù)據(jù)已存入了鎖存器，該信號可以用作中斷申請。轉換結束,OE輸入高電平，EOC可作為中斷請求信號, 轉換結束后，可通過執(zhí)行IN指令，設法在輸出允許OE腳上形成一個正脈沖信號，使得輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量就會輸出到數(shù)據(jù)總線上3。2.3顯示模塊的選擇本設計應該選擇比較熟悉的LCD1062。液晶顯示器（LCD）,采用LCD1602可以顯示文字，也可以顯示數(shù)據(jù)。在課程設計中經常用到它，因此，大家

23、對液晶顯示器并不陌生。在基于單片機礦井瓦斯檢測系統(tǒng)中采用液晶顯示器作為顯示器件具有質量高、重量輕、數(shù)字式接口、體積小、功耗低等優(yōu)點，因此，LCD逐漸的成為各種便攜式電子產品的理想顯示器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產品中都可以看到，其不僅廉價，而且顯示的內容豐富美觀，很好的取代了LED數(shù)碼管。1602型LCD外形圖如下圖所示：圖2-2 1602LCD外形圖液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對顯示區(qū)域進行控制，只要輸入所需的控制電壓，就可以顯示出字符來。LCD能夠顯示字符的關鍵在于其控制器，目前大部分點陣式LCD都使用日立公司的HD44780集成電路作為控制器。HD447

24、80是集驅動器與控制器于一體，專用于字符顯示的的液晶顯示控制驅動集成電路，這便是LCD顯示的基本原理。本設計所采用的液晶顯示器為1602LCD，其具有16腳（帶背光）接口，各引腳接口的說明如表2-1所示:表2-1 1602LCD各引腳接口的說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VO液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15A背光源正極8D1數(shù)據(jù)16K背光源負極第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接正電源，為5V。第3腳：VO是液晶顯示器對比度調整的端口，使用時

25、可以通過一個10K的滑動變阻器來調整對比度。第4腳：RS為寄存器的選擇端口，當為高電平時就選擇數(shù)據(jù)寄存器、當為低電平時就選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號端，當為高電平時進行讀操作，當為低電平時進行寫操作。當RS和R/W同時為低電平的時候就可寫入指令或顯示地址，當R/W為高電平RS為低電平的時候就可讀忙信號，當R/W為低電平RS為高電平的時候就可寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端口是使能端，當E端口從高電平跳變?yōu)榈碗娖降臅r候，液晶顯示模塊就會執(zhí)行命令。第714腳：D0D7是8位的雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極4。1602液晶模塊內部的控制器總共有11條控制指令，如表2-2所示

26、：表2-2 1602LCD的指令說明序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內容 1602液晶模塊是通過指令編程來實現(xiàn)讀寫操作、屏幕以及光標的操作。（說明：1為高電平、

27、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼是01H,光標復位到的地址為00H位置。指令2：光標復位，光標返回到的地址為00H。指令3：光標與顯示模式設置 I/D：光標的移動方向是高電平時右移，低電平時左移。S:屏幕上的所有字符是否向左或右移動，其中高電平為有效，低電平則無效。指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開和關，當高電平時為開顯示，低電平時為關顯示 C：控制光標的開和關，當高電平時有光標，低電平時無光標 B：控制光標是否閃爍，當高電平時閃爍，低電平時則不閃爍。指令5：光標或者顯示移位 S/C：當高電平的時候移動顯示的字符，低電平的時候移動光標。指令6：功能設置命令 DL：當高電平的時候為4

28、位總線，低電平的時候為8位總線 N：當?shù)碗娖降臅r候為單行顯示，高電平的時候為雙行顯示 F: 當?shù)碗娖降臅r候顯示的是5x7的點陣字符，高電平的時候顯示的是5x10的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置。指令8：DDRAM地址設置。指令9：讀忙信號與光標地址 BF：為忙標志位，當高電平的時候表示忙，這時模塊不可以接收命令或數(shù)據(jù)，當?shù)碗娖降臅r候則表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)5。2.4傳感器的選擇瓦斯?jié)舛葯z測儀的分類有紅外線式、光干涉式、聲速差式、氣敏半導體式、熱導式、熱催化式。(1)紅外線式紅外線式是利用瓦斯的氣體分子能吸收一定波長的紅外線來檢測瓦斯?jié)舛鹊摹Ｋ膬?yōu)點是精度高、選

29、擇性好、不受其它氣體的影響，不但測量范圍大而且還可以連續(xù)檢測；缺點是儀器的制造和保養(yǎng)困難，體積大，成本高，功率大，因此廣泛使用會受到一定的限制。(2)光干涉式光干涉式是利用光波對空氣和瓦斯氣體的折射率不同所產生的光程差，引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同瓦斯?jié)舛鹊臋z測。它的優(yōu)點是精度高，不但耐用而且還容易校正；缺點是不能直觀的顯示瓦斯?jié)舛戎?，容易受氣壓和溫度的影響，制造和維修成本較高、實現(xiàn)自動檢測比較困難。(3)聲速差式在溫度為22、氣壓為101325Pa條件下，聲波在瓦斯中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為3m/s。通過這一特點來比較這兩種速度就可檢測出高濃度瓦斯。它的優(yōu)點是讀數(shù)不但不受氣

30、壓影響，而且還對背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感；缺點是很難測出低濃度的瓦斯氣體，一般只用來檢測礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛取?4)氣敏半導體式氣敏半導體的種類較多，例如氧化鋅、氧化錫等燒結型金屬氧化物。其原理是利用氣敏半導體被加熱到200時，它表面能夠吸附瓦斯氣體而改變其電阻值來檢測瓦斯?jié)舛鹊摹Ｆ鋬?yōu)點是對微量瓦斯比較敏感，結構簡單、成本低。但當濃度較高時，反應就會變慢，選擇性和線性也差，因此它幾乎不用于礦井瓦斯?jié)舛鹊臋z測。 (5)熱導式熱導式是利用瓦斯與空氣熱導率之差來實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測。它的優(yōu)點是熱導元件和儀器設計制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，讀數(shù)穩(wěn)定，器件壽命長；缺點是瓦斯?jié)舛?/p>

31、較低時輸出信號小，受氣溫影響比較大。(6)熱催化式熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來檢測瓦斯?jié)舛鹊?。它的?yōu)點是元件和儀器的生產成本低，輸出信號大，儀器的結構簡單，受溫度變化的影響小，容易實現(xiàn)自動檢測；缺點是元件的壽命較短。目前國內外檢測瓦斯的儀器廣泛采用這一原理6。因此要進行項相對具體的測量工作時，必須要考慮采用哪一種原理的傳感器，采用的時候需要考慮到多方面的因素，之后才能確定。由于測量同一物理量時，也可選用多種原理的傳感器。在選用合適的傳感器時，要考慮被測量的特點以及所選傳感器的使用條件，例如傳感器量程的大??；傳感器的體積要適用被測位置；是采用接觸式還是非接觸式測量方

32、式等。對于上述問題的分析之后，本設計決定采用MQ-4傳感器。2.5總體結構設計本論文的整個設計的系統(tǒng)可分為復位電路、時鐘電路、AD轉換電路、顯示電路、報警電路、單片機這六個部分。為了更好地說明本設計的體系結構，特別地用一個構件圖來說明。如下圖所示。顯示電路AT89S52報警電路復位電路時鐘電路AD轉換電路圖2-3 總體構件圖2.6 本章小結本章對本設計所需要的硬件做了明確地選擇，通過比較同一類型中的各個器件，選擇出了它們當中最適合本設計要求使用的器件，在對各個器件作選擇的同時，對各個器件的原理、結構、優(yōu)勢等都有了一個新的了解和認識，為本設計進一步的研究作了很好的基礎。3 硬件電路設計3.1單片

33、機最小系統(tǒng)設計 3.1.1 AT89S52單片機簡介隨著計算機技術的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域應用，以致在這些領域中的技術水平和自動化程度大幅度提高。在眾多的單片機生產商中，較為著名INTEL公司所生產MCS-51系列單片機有著廣泛的應用。通過考量控制系統(tǒng)的目標、可靠性、性價比、功能、精度以及速度來選擇單片機的型號，根據(jù)本設計的情況，單片機的型號選擇可從兩方面考慮：一是要具有較高的性價比；二是要具有較強的抗干擾能力。本設計采用ATMEL公司生產的AT89S52單片機作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心器件，它是AT89S系列單片機的一種，具有AT89C52系列單片機的全

34、部功能。此外，與AT89C52相比，AT89S52新增加了許多功能，這將使單片機在工作過程中具備了更高的穩(wěn)定性和更強的電磁抗干擾能力。首先，看門狗電路增加到了AT89S52的內部，這使得用戶應用系統(tǒng)更加堅固，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性：其次，擁有特殊雙數(shù)據(jù)指針的AT89S52使其數(shù)據(jù)操作更加的快捷與方便；再次，AT89S52運行速度變得更高，最高晶振可達到33MHZ；最后，AT89S52支持ISP(InSystem Programming)在線下載的功能。AT89S52中ISP共有4個引腳：RST、MOSI、MISO和SCK。使用者能直接替換應用系統(tǒng)中的AT89C51/52，但是軟件和硬件則均不

35、需要作任何的修改。AT89S52之所以能夠避免由于外部芯片擴展過多或者傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生，是因為該單片機增加了高可靠性、安全性等功能，因此它在檢測甲烷氣體時能夠滿足監(jiān)控、信息傳送等要求。同時，從經濟適用性的角度來看，AT89S52不僅硬件結構相對簡單，而且價格又低、功能也強、性價比較高。AT89S52單片機外形圖如圖3-1所示，其特點如下： （1)兼容MCS一5l單片機； （2)8字節(jié)FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程ISPl000次擦寫周期； （3)256字節(jié)片內部RAM； （4)工作的電壓為4.0V6.0V； （5)全靜態(tài)時鐘是0Hz33MHz； （6)二

36、級程序加密； （7)32個可編程I/O端口口； （8)3個16位定時/計數(shù)器； （9)6個中斷源； （10)上電復位標志； （11)完全的雙工UART串行口； （12)低功耗支持Idle和Power-down模式； （13)Power down模式支持中斷喚醒； （14)看門狗定時器； （15)雙數(shù)據(jù)指針7；圖3-1 AT89S52外形圖3.1.2 時鐘電路設計時鐘電路在各種指令的微操作在時間上有嚴格的次序，這種微操作的時間次序稱作時序， AT89S52的時鐘產生方式有兩種，一種是內部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。本系統(tǒng)中采用了內部時鐘方式，為了盡量降低功耗的原則。單片機必須需要時鐘的驅動才能

37、正常工作。單片機內部有時鐘振蕩電路，因此只需外接一個振蕩源就能產生一定周期的時鐘信號從而到達單片機內部的各個單元，決定單片機的工作頻率。時鐘電路由石英晶振體、C3，C4電容和片內與非門組成了三點式振蕩器。這里選用C3、C4的電容均為30pF，石英晶振的工作頻率為12MHz，一方面可以滿足系統(tǒng)在設計時的機器周期的需要；另一方面，在進行串行口通訊的時候能夠提供精確的通訊波特率8。時鐘電路圖如圖3-2所示：圖3-2 時鐘電路3.1.3 復位電路設計復位電路在單片機工作中是必不可少的部件之一，單片機工作時必須處于一種確定的狀態(tài)。由于端口線電平和輸入輸出狀態(tài)的不確定可能會導致外圍設備誤動作，以至于嚴重事

38、故的發(fā)生；內部一些控制寄存器（專用寄存器）的內容不確定也可能會導致定時器溢出、程序尚未開始就要中斷及串口亂傳向外設發(fā)送數(shù)據(jù)。本設計所設計的復位電路如圖3-3所示，開關未按下時，在上電的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，電容處于充電（導通）狀態(tài)，因此RST腳上的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降9。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在開關按下時是RST端有兩個機器周期以上的高電平從而使AT89S52內部復位。 圖3-3復位電路3.2電源電路設計任何電路都離不開電源部分，單片機也不例外。在本設計中是以AT89S52單片機為核心所設計的，它工作時需要用電源電路來驅動，電源電路如圖3

39、-4所示，其中J1是供電電源插座，引腳1接+5V，引腳2接地，D1是電源指示燈，R6是限流電阻，C2是濾波電容。圖3-4電源電路3.3 報警電路設計單片機本身I/O的驅動能力并不高，所以對蜂鳴器的驅動需要加入一個PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器發(fā)出的聲音更加響亮，起到更好的報警作用。報警電路如圖3-5所示，當瓦斯?jié)舛冗_到設定值時，蜂鳴器報警，指示燈發(fā)光10。圖3-5報警電路3.4 顯示電路設計LCD是一個慢顯示器件，所以在寫每一條指令前一定要先讀LCD的忙碌狀態(tài)。如果LCD正忙于處理其他指令，就等待；如果不忙，在執(zhí)行寫指令。為此，1602型LCD專門設了一個忙碌標志位BF，該位連接在8位雙向數(shù)據(jù)

40、的D7為上。如果BF為低電平“0”，表示LCD不忙；如果BF為高電平“1”，則表示LCD處于忙碌狀態(tài)，需要等待。假定1602型LCD的8位雙數(shù)據(jù)線（D0D7）是通過單片機的P0口進行數(shù)據(jù)傳遞的，那么只要檢測P0口的P07引腳電平（D7連P07）就可以知道忙碌標志位BF的狀態(tài)。1602LCD液晶顯示器引腳接口如圖3-6所示：圖3-6 顯示電路3.5 甲烷氣體采集電路設計 瓦斯?jié)舛葴y試部分電路是由氣體傳感器MQ-4組成的，其作用是將瓦斯氣體的體積分數(shù)轉化成對應的模擬電壓信號并輸出來。MQ-4氣敏元件的結構和外形如圖3-7所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層、測量電極和加熱器構成，然后將其

41、固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，制作好的檢測元件有6只引腳，其中的4個用于信號取出，剩余2個用于提供加熱電流。 結構 外形圖3-7 MQ-4的結構和外形表3-1 MQ-4標準的工作條件符號參數(shù)名稱技術條件備注Vc回路電壓15VAc or DcVH加熱電壓5.0V0.2VAc or DcRL負載電阻可調RH加熱電阻313室溫PH加熱功耗900mw表3-2 MQ-4的環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術條件備注Tao使用溫度-10-50Tas儲存溫度-20-70RH相對濕度小于 95%RHO2氧氣濃度21%(標準條件)氧氣濃度會影響靈敏度最小值大于2%表3-3 MQ-4的靈敏度特性 符號參數(shù)名稱技術參數(shù)備注R

42、s敏感體表面電阻1060（5000ppmCH4）適用范圍：30010000ppm甲烷，天然氣(1000ppm/5000ppmCH4)濃度斜率0.6標準工作條件溫度：202 Vc:5.0V0.1V相對濕度：65%5% Vh:5.0V0.1V預熱時間不少于24小時圖3-8 MQ-4型氣敏元件的靈敏度特性MQ-4的標準工作條件如表3-1所示，工作的環(huán)境如表3-2所示，靈敏度特性如表3-3、圖3-8所示。其中：溫度為20、相對濕度為65%、氧氣濃度為21% RL=20k Rs是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值，因此MQ-4型甲烷傳感器對不同種類，不同濃度的氣體有不

43、同的電阻值。所以在使用該傳感器時，靈敏度的調整是必要的。本設計采用5000ppm甲烷校準傳感器進行校準。其校準過程如下：在測試條件下對傳感器進行校準時，要進行硬件部分電路的調試。在調節(jié)確定MQ-4的可調負載電阻值時，以空氣中甲烷濃度值為5000ppm時作為校準，此時觀察顯示部分電路，又因為要求顯示的瓦斯?jié)舛染纫髢?yōu)于5%，即準確顯示的范圍為5000ppm（15%）也就是4750ppm5250ppm的范圍內，若不在該范圍內則說明甲烷傳感器的靈敏度不夠高，需要進行調節(jié)。靈敏度的調整需要依靠調節(jié)負載電阻來實現(xiàn)的，調節(jié)負載電阻盡可能的使顯示的瓦斯?jié)舛戎蹬c實際相符合，這樣傳感器的靈敏度就確定下來了，此

44、時的傳感器就可以用來監(jiān)測實際中不同的瓦斯?jié)舛攘?1。當模擬量送至某一輸入通道IN0后，CPU將標識該通道編碼的三位地址信號經數(shù)據(jù)線或地址線輸入到ADDC、ADDB、ADDA引腳上。然后輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，進行轉換。一直到完成A/D轉換，轉換開始,EOC變成高電平，結束A/D轉換，此時結果數(shù)據(jù)已存入了鎖存器，這個信號就可以用作中斷申請。轉換結束,OE輸入高電平，EOC可作為中斷請求信號, 轉換結束后，可通過執(zhí)行IN指令，設法在輸出允許OE腳上形成一個正脈沖，使輸出三態(tài)門打開，并

45、將轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。其接口電路圖如下圖所示： 圖3-9 甲烷氣體采集電路設計3.6 本章小結本章主要的任務就是對硬件電路的設計，并且對設計所需要的各個電路分別作了獨立的分析，同時也畫出了各個電路的電路圖，電路圖是在Protel中畫出的，在畫圖的的過程中，進一步掌握和鞏固了對Protel的使用。掌握了硬件后，對下一步的軟件編程作好了鋪墊。4 軟件設計4.1主程序設計基于前面的設計，繪制出本設計的總流程圖如圖4-1所示，其總程序見附錄E。 結束主程序開始初始化變量MQ-4采集信號AD轉換LCD顯示濃度是否過達到設定值聲光報警YN圖4-1 主流程圖4.2模數(shù)轉換程序設計模數(shù)轉換模塊的

46、主要功能就是將經放大器放大的模擬電壓信號轉化為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給單片機。ADC0809轉換的流程圖如圖4-2所示，其控制程序見附錄E。 結束 開始 接收信號轉換信號輸入通道控制字讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)據(jù)校正送入指定寄存器圖4-2模數(shù)轉換流程圖 4.3 聲光報警程序設計由于AD轉換需要初始化才能使用，因此，首先必須對系統(tǒng)進行初始化并且要關閉所有中斷，AD把轉換到的濃度讀出，然后放到寄存器中，與之前設置的濃度報警的上限值進行比較，如果檢測的結果是濃度度沒有達到設定值，那么系統(tǒng)繼續(xù)進行檢測，如果達到設定值，則發(fā)光報警，給工作人員以提醒。聲光報警的程序流程如圖4-3所示，它的控制程序見附

47、錄E。正常顯示聲光報警報警程序入口初始化AD轉換值濃度是否達到設定值YN 圖4-3 聲光報警流程圖 4.4 液晶顯示程序設計 LCD模塊在本系統(tǒng)中主要起著濃度顯示功能，采用直接訪問方式。液晶顯示的操作流程圖見圖4-5所示，其顯示程序見附錄E。初始化（寫模式設置指令） 讀出字符的字型點陣讀狀態(tài)（忙碌檢測）將顯示地址寫入將數(shù)據(jù)（ASCII碼）寫入圖4-5液晶顯示的操作流程圖 4.5 本章小結本章對設計各個電路畫出了其流程圖，對它的流程進行了軟件編程，接下來就需要對其仿真。以便更明了的了解本設計所要實現(xiàn)的功能。5 系統(tǒng)仿真及調試5.1 proteus簡介Proteus ISIS 是英國Labcent

48、er electronics公司開發(fā)的電路分析和實物仿真軟件，其組合了高級原理布圖、混合模式SPICE仿真,PCB設計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設計系統(tǒng)。它不僅可以在Window 操作系統(tǒng)上運行，而且還可以分析和仿真各種模擬器件、集成電路。該軟件的特點是：（1）實現(xiàn)了SPICE電路與單片機仿真相結合。（2） 它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真，可以對基于單片機的設計及其周圍的電子器件進行仿真?？梢詫崟r采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)模型進行仿真。（3）可以用鼠標來操作元器件的模型控制設計，并能夠從界面上觀察到過程，提供有多種多樣的虛擬儀器，如電壓計、邏輯分析儀、信號發(fā)生器

49、、電流計，示波器等，這些虛擬儀器變的讓電路圖及仿真顯示的非常直觀，如同在實際中操作一樣。（4）能夠讓多種型號的單片機系統(tǒng)進行仿真。諸如型號為：68000、8051、AVR、PIC12、PIC16、PIC18、Z80、HC11等系列的單片機，及其以周邊各種外圍芯片等。（5）具有軟件的調試功能。其主要用于硬件仿真系統(tǒng)中，如設置斷點、全速、單步等，與此同時還能夠觀察到變量以及寄存器的當前狀態(tài)。而且它還支持第三方軟件的編譯及調試環(huán)境，如KeilC51。（7）在Proteus仿真系統(tǒng)中可以任何時候通過按下空格鍵對電路進行仿真，加快了從編輯到仿真的速度，還可快速、方便的繪制出單片機應用系統(tǒng)的原理圖12。5

50、.2 Keil軟件介紹單片機開發(fā)中不僅要硬件外，還要軟件。KeilC51軟件目前是開發(fā)MCS-51系列單片機最為流行的軟件，它是美國Keil Software公司所研發(fā)的，運行Keil軟件需要WIN98、WINXP等操作系統(tǒng)，近年來各仿真廠商全面支持 Keil 軟件，為Keil軟件主要提供了C編譯器、A51宏匯編器、L51連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等一系列完整的開發(fā)方案，全Windows界面，用一個集成開環(huán)境（uVision）將這些部分結合在一起。KeilC51 軟件具有豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用ID

51、E本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件13。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成 目標文件（.obj）。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經L51連接，定位生成絕對目標文件(.abs）。ABS文件由OH51轉換成標準的hex文件，以供調試器 dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試， 也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。最為重要的是只要閱讀一下編譯后生成的匯編代碼，就能了解KeilC51 生成的目標代碼，多數(shù)語句生成的代碼很緊湊，容易理解14。在一些大型軟件開發(fā)中運用它便能體現(xiàn)出高級語言的優(yōu)勢。5.3仿真及調試過程第

52、一步，新建工程。打開Protues見面后，單擊“File”后再點擊“New Design”第二步，就在Protues里面建好了一個工程；第三步，添加所需器件。單擊“Library”后點擊“Pick Device”后，在對話框左上角有“Keyword”,講所需的元器件的型號輸入就可以找到，然后點擊確定，由于元件庫里沒有MQ-4甲烷傳感器，所以選擇滑動變阻器來代替。第四步，元器件放好后，修改元器件的參數(shù)，在連接導線。第五步，加載單片機程序的文件。雙擊電路圖中的單片機，在打開的對話框里單擊“Program File:”后，加載對應的.hex文件。第六步，仿真。單擊仿真開關，仿真啟動后，就會看到動態(tài)顯

53、示15。仿真結果如圖5-1所示：圖5-1 仿真結果5.4 本章小結本章的主要目的就是對程序進行仿真，通過仿真圖來代替現(xiàn)實中的實際情況，仿真的成功說明電路圖是正確的，下載到單片機的程序也是正確的。從上可以看出，利用Protues對單片機系統(tǒng)進行仿真可以簡化調試工作，同時還節(jié)省了制作電路板的時間，提高了產品的開發(fā)效率，降低了生產成本。6 存在問題及分析（1）對AT89S52單片機的工作原理和結構不熟悉。通過觀看相關視頻以及查詢資料進行學習，同時向老師求助，現(xiàn)已弄明白。（2）對軟件的程序的編譯環(huán)境和仿真不是很懂。通過老師和同學的指導，并多次重復練習如何操作，現(xiàn)已熟練掌握。（3）在Protel99SE里面畫電路圖存在一定的問題。多次練習畫電路圖，現(xiàn)已經能夠找到相關元器件，畫圖工具也已能夠熟練應用。（4）動手搭建硬件模