畢業(yè)設(shè)計單片機煤氣報警器

摘要全國燃氣行業(yè)開展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業(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”工程的快速進展，燃氣行業(yè)開展?jié)摿薮?。但是隨著燃氣的廣泛應(yīng)用，由于燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不平安和不穩(wěn)定因素。為了使燃氣更好地造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，各燃氣使用單位及居民用戶選擇一種適合的室內(nèi)煤氣泄露報警器實為必要之舉。燃氣報警器的核心是氣體傳感器。當(dāng)氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產(chǎn)生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經(jīng)微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃氣濃度到達報警設(shè)定值時，燃氣報警器發(fā)出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯(lián)運設(shè)備。本文正是通過分析目前燃氣報警器的現(xiàn)狀，設(shè)計制作室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，保障人們的生命財產(chǎn)平安。關(guān)鍵詞：氣體傳感器；煤氣泄漏；煤氣報警AbstractTherapiddevelopmentofthenationalgasindustry,liquefiedgas,naturalgas,coalgasandothercitygasasacleanenergybusinessandurbanresidentsinusershasbeenwidelyused,andgasindustryhasgreatpotential.Butwiththeextensiveuseofgas,duetogasleakcausedanexplosion,poisoningandfireaccidentshavealsooccurredtosomeextent,increasedthecity'sinsecurityandinstability.Inorderforgastobetterbenefitthepeople,thebenefitofthecommunity,toreduceandeliminateallduetogasleakcausedtheexplosionandfire,thegasunitandresidentialcustomersusetoselectasuitableindoorgasleakalarmisactuallynecessarymove.Gassensoristhecoreofcombustiblegas.Whenthegasfacegassensor,thesensorresistancechangewithgasconcentration,theresultingelectricalsignalforprocessingofcombustiblegaslineaftertheclass.Afterdealingwithelectroniccircuitintoavoltageproportionaltotheconcentrationchangesignaltobecompensatedbythelinearcircuit,thesignallinearization,bycomputerprocessing,logicalanalysis,theoutputofvariouscontrolsignals,thatis,whenthegasconcentrationalarmsetvalue,combustiblegasaudiblealarmsignalcandisplaygasconcentrationorstartanexternaltransportequipment.Itisthroughthisanalysisofthecurrentstatusofcombustiblegas,indoordesignfaultmonitoringalarmsystemtoprotectpeople'slivesandproperty.Keywords：Gassensor；GasLeak；GasAlarm目錄摘要IAbstractII目錄PAGEIII1緒論11.1課題背景11.2燃氣報警器的概述21.3課題研究的目的及意義21.4系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)22系統(tǒng)方案設(shè)計42.1設(shè)計要求42.2設(shè)計思路42.3設(shè)計方案52.3.1方案一62.3.2方案二62.3.3方案確實定72.4系統(tǒng)方案組成72.4.1系統(tǒng)三大局部82.4.2系統(tǒng)框圖93系統(tǒng)模塊設(shè)計103.1氣體濃度檢測模塊103.2主控模塊103.3設(shè)置報警模塊144硬件電路設(shè)計與分析154.1系統(tǒng)電源的設(shè)計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164.2信號采集放大電路的設(shè)計174.2.1氣敏傳感元件特性174.2.2信號采集放大電路的設(shè)計184.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計194.3.1ADC0809[6]的介紹194.3.2電路具體設(shè)計方法214.4存儲器電路的設(shè)計224.5顯示器電路的設(shè)計234.5.1顯示模塊LCD1602234.5.2電路設(shè)計方法234.6報警器電路的設(shè)計244.7鍵盤電路的設(shè)計234.7.1鍵盤的工作原理224.7.2鍵盤的識別方法224.7.3鍵盤的工作方式224.8串口通信電路的設(shè)計234.8.1RS-232標準244.8.2接口信號[1]245軟件設(shè)計255.1單片機編程[2]255.2程序框圖和主要程序246實驗調(diào)試256.1硬件調(diào)試256.2軟件調(diào)試256.3調(diào)試結(jié)果276.4小結(jié)27參考文獻29結(jié)論30致謝30附錄131附錄232緒論1.1課題背景煤氣的主要成分是CO、氫和烷烴、烯烴、芳烴等。煤氣有毒是因為其中的CO、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，可產(chǎn)生CO，如人體短時間內(nèi)吸入較高濃度的CO，或濃度雖低，但吸時間較長，均可造成急性中毒。CO主要來自取暖燃料，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與血紅蛋白結(jié)合形成的碳氧血紅蛋白含量到達5%時，就會對人體產(chǎn)生慢性損害，到達60%時就會昏迷，到達90%就會死亡。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高時能夠采取相關(guān)措施防止火災(zāi)的發(fā)生，保護人們的生命財產(chǎn)平安。本文正是通過分析目前燃氣報警器的現(xiàn)狀，設(shè)計制作室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，保障人們的生命財產(chǎn)平安。1.2燃氣報警器的概述首先我們應(yīng)對國家標準規(guī)定的燃氣報警器的種類有所了解。燃氣報警器可分為可燃氣體檢漏儀〔簡稱“檢漏儀”〕，可燃氣體報警控制器〔簡稱“控制器”〕、可燃氣體探測器〔簡稱“探測器”〕、家用可燃氣體報警器〔簡稱“報警器”〕四大系列產(chǎn)品。報警器為居民家庭用的燃氣報警器，一般安裝在廚房，遇燃氣泄漏時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字顯示，同時聯(lián)動外部設(shè)備。有的報警器可自動開啟排風(fēng)扇，把燃氣排出室外。有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃氣閥門，以防燃氣繼續(xù)泄漏。燃氣報警器的核心是氣體傳感器，俗稱“電子鼻”。當(dāng)氣體傳感器遇到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，隨之產(chǎn)生電信號，供燃氣報警器后級線路處理。經(jīng)過電子線路處理變成濃度成比例變化的電壓信號，由線性電路加以補償，使信號線性化，經(jīng)微機處理、邏輯分析，輸出各種控制信號，即當(dāng)燃氣濃度到達報警設(shè)定值時，燃氣報警器發(fā)出聲光報警信號并可顯示燃氣濃度或啟動外部聯(lián)運設(shè)備〔如排風(fēng)扇、電磁閥〕。1.3課題研究的目的及意義因此設(shè)計出性能更加可靠，經(jīng)濟實惠的室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)已成為市場的需要。目前，現(xiàn)有煤氣檢測儀器主要是面對工礦企業(yè)或公共場所的檢測，價格高昂，對家庭也是不適應(yīng)的。因此，本次設(shè)計所面對的是廣闊居民。1.4系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容本文利用單片機電路制作室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)。設(shè)計過程中關(guān)鍵的兩個局部：系統(tǒng)硬件的設(shè)計和控制軟件的編寫。這也是在設(shè)計過程中需要解決的關(guān)鍵的問題?！?〕硬件任務(wù)單片機室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)的硬件主要有3大局部，即濃度檢測和顯示模塊、主控模塊和設(shè)置報警模塊。濃度檢測模塊主要由半導(dǎo)體氣體傳感器QM-N5組成，它是整個系統(tǒng)中關(guān)鍵的元件；顯示局部由LCD1602組成。主控模塊由單片機及其相關(guān)軟件組成，由程序?qū)纹瑱C進行控制。設(shè)置報警模塊主要由鍵盤和報警器等組成，這個模塊是對報警煤氣濃度進行設(shè)置和濃度過高的時候進行報警處理。硬件的設(shè)計需要單片機、模電及其數(shù)電的相關(guān)知識。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，向老師獲取幫助?！?〕軟件任務(wù)它的軟件設(shè)計主要包括主程序和中斷處理兩大局部：主程序要完成I/O口，定時器的初始化及對中斷輸入的設(shè)定，然后延時使傳感器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，等待定時器的中斷；中斷處理程序根據(jù)具體情況需要有相應(yīng)的子程序。要對程序進行屢次調(diào)試，分塊編程。對各個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)計要求的功能。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1設(shè)計要求設(shè)計的監(jiān)測報警系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)如下功能：系統(tǒng)能巡回檢測四個不同位置的煙霧和煤氣濃度，把檢測到的信號送單片機處理，處理過的數(shù)據(jù)送顯示器顯示和送存儲器保存，在煙霧和煤氣濃度到達設(shè)置值時系統(tǒng)啟動報警。2.2設(shè)計思路本設(shè)計擬按以下思路展開研究：〔1〕根據(jù)該設(shè)計要實現(xiàn)的根本功能，設(shè)計大致應(yīng)該分為信號采集放大，信號處理控制，系統(tǒng)設(shè)置報警三個局部。①信號采集局部即通過氣體傳感器檢測室內(nèi)氣體濃度，將這種變化量轉(zhuǎn)化成電壓模擬量的變化，然后通過運放進行必要的放大。②信號處理局部是將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入控制器進行處理，并將處理過的信號送存儲器保存和送顯示器顯示。③系統(tǒng)設(shè)置報警局部是通過預(yù)定控制方式并利用蜂鳴器報警實現(xiàn)系統(tǒng)的準確操作。〔2〕依據(jù)上面所說的思路，得到如下一些根本的結(jié)論：①信號采集局部為了能準確采集到氣體濃度的變化應(yīng)選用半導(dǎo)體氣體傳感器，為使其有效的檢測室內(nèi)氣體濃度，采用電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器；而放大局部使用運放進行比例和反相兩級放大。②信號處理局部為了實現(xiàn)精確控制，采用單片機較為適宜。將模擬信號送A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理后送存儲器保存和送顯示器顯示。③系統(tǒng)設(shè)置報警局部可以考慮采用4×4鍵盤設(shè)置初始值和蜂鳴器報警。根據(jù)對上面設(shè)計系統(tǒng)的分析，我們得到該設(shè)計思想框圖如以下圖2-1所示：信號采集放大信號處理控制系統(tǒng)設(shè)置報警信號采集放大信號處理控制系統(tǒng)設(shè)置報警圖2-1設(shè)計思想框圖2.3設(shè)計方案2.3.1方案一采用雙傳感器[4]，采用相互補償?shù)姆椒z測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機控制聲音報警以及將氣體傳感器檢測到的濃度值在顯示器顯示出來。分析：此設(shè)計方法雖然解決了傳感器檢測氣體濃度時溫度和濕度對測量值的影響，但是，在實際制作的過程中，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，進行一定的算法修正和軟件補償。由于本課題要求采用四路巡回檢測，如果采用本方案那么就需要8個特性相同的半導(dǎo)體氣體傳感器〔4個密封檢測氣體濃度，另外4個做補償〕，為了到達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)時對傳感器進行成對生產(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和單片機并不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計體積過大、功耗高、本錢太高。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)計體積過大、功耗高、本錢太高，所以不予采納。2.3.2方案二采用高性能半導(dǎo)體氣體傳感器[5]，采用四路巡回檢測的方法檢測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進行模--數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機控制聲音報警、鍵盤輸入、存儲器運行，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LCD顯示器上顯示出來。分析：選用此方法設(shè)計電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡化了設(shè)計電路，降低了本錢，采用此種方法設(shè)計主體電路。具體電路設(shè)計將在下文中給出。提出本次設(shè)計采用QM-N5型氣體傳感器?，F(xiàn)在特將此傳感器簡單介紹如下：(1)特點：QM-N5型氣體傳感器[6]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)元件接觸復(fù)原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時間短。用它做成的報警器完全可以到達UL2034標準，不需溫、濕度補償。(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50Ω±2Ω)環(huán)境條件：溫度-10℃～+50℃,相對濕度≤95%初期穩(wěn)定時間：≤15分鐘響應(yīng)時間：≤10s檢測煤氣濃度范圍：50～20000ppm(3)對一氧化碳反響的敏感度[7]：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傳感器的影響：根據(jù)測試結(jié)果說明，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。方案確實定現(xiàn)今半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類傳感器時不必采用溫度、濕度補償[8]，極大的簡化了電路和降低了本錢。鑒于對以上三個方案的比照分析，方案三最符合設(shè)計要求，所以我選擇使用方案三來設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計的主體電路。2.4系統(tǒng)方案組成本設(shè)計屬于單片機應(yīng)用系統(tǒng)。它是單片機在系統(tǒng)檢測方面的應(yīng)用，是典型的嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足海量高速數(shù)值計算的計算機稱為通用計算機系統(tǒng)；而把面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機稱之為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機，通用CPU模塊，嵌入式微機處理，單片機。系統(tǒng)三大局部單片機應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個層次。(1)單片機：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。(2)單片機系統(tǒng)[9]：指按照單片機的技術(shù)要求和嵌入對象的資源要求而構(gòu)成的根本系統(tǒng),如時鐘電路、復(fù)位電路和擴展存儲器等與單片機構(gòu)成了單片機系統(tǒng)。(3)單片機應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)的根底上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐?，如前向通道、后向通道、人機交互通道(鍵盤、顯小器、打印機等)和串行通信口(RS232)以及應(yīng)用程序等。系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由三大局部九個不同電路組成，系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖如以下圖2-4所示：一路傳感器ADC0809二路傳感器單片機AT89S51三路傳感器四路傳感器一路傳感器ADC0809二路傳感器單片機AT89S51三路傳感器四路傳感器2K存儲器報警器4×4鍵盤串口通信LCD5V電源圖2-4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖信號采集局部：1~4路傳感器電路；信號處理局部：A/D轉(zhuǎn)換電路，2K存儲器電路，LCD顯示電路，串口通信電路，單片機復(fù)位電路；設(shè)置報警局部：4×4鍵盤電路，報警器電路。3系統(tǒng)模塊設(shè)計3.1氣體濃度檢測模塊室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)采用四路巡回檢測的方法，檢測器件采用QM-N5型氣體傳感器[6]檢測房間氣體濃度，檢測結(jié)果送入模/數(shù)芯片ADC0809中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計選用了半導(dǎo)體氣體傳感器，半導(dǎo)體氣體傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏材料。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點，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。3.2主控模塊AT89S51引腳圖如圖3-1所示，下面分別介紹其引腳。主電源引腳Vss，Vcc，Vss(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：在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，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)部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，那么此引腳接外部振蕩信號的輸入。圖3-1AT89S51引腳功能圖〔3〕輸入/輸出引腳P0，P1，P2，P3：P0.0～P0.7(39～32腳):PO是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低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，簡寫為AD0～AD7。在EPROM編程時，從P0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，那么輸出指令字節(jié)(驗證時，要外接上拉電阻)。Pl.0～P1.7(1～8腳):Pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。P2.0～P2.7(21～28腳):P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8～A15。在對EPROM編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。P3.0～P3.7(10～17腳):P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個系統(tǒng)中，這8個引腳還具有專門的第二功能?！?〕控制線〔4條〕RST：AT89S51的復(fù)位信號輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片用時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能存放器的內(nèi)容均被設(shè)成狀態(tài)。ALE/PROG：ALE是英文"ADDRESSLATCHENABLE"的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器(如74LS373)，將端口P0的地址總線(A0-A7)鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片的時鐘輸入。當(dāng)問外部存儲器期間，將以1/12振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時，那么讀取外部的程序代碼(存于外部EPROM中)來執(zhí)行程序。因此在8031中，EA引腳必須接低電位，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用AT89S51或其它內(nèi)部有程序空間的單片機時，此引腳接成高電平使程序運行時訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)程序指針PC值超過片內(nèi)程序存儲器地址(如8051/8751/89C51的PC超過0FFFH)時，將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器繼續(xù)運行。PSEN：此為"ProgramStoreEnable"的縮寫。訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產(chǎn)生二次PSEN信號。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令時，不產(chǎn)生PSEN信號，在訪問外部數(shù)據(jù)時，亦不產(chǎn)生PSEN信號。以下是單片機的工作方式：單片機的工作方式包括：復(fù)位方式，程序執(zhí)行方式，單步執(zhí)行方式，掉電、節(jié)電方式以及EEPROM編程和校驗方式。1〕復(fù)位方式RST引腳時復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，高電平的持續(xù)時間應(yīng)該在24個時鐘周期以上，假設(shè)時鐘頻率為6MHz,那么復(fù)位信號至少應(yīng)持續(xù)4us以上，才可以使單片機可靠復(fù)位。復(fù)位以后，內(nèi)部各存放器進入以下狀態(tài):PC0000HACC00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0～P3FFHIP**000000BIE0*000000BTMOD00HTCON00HTL000HTH000HTL100HTH100HSCON00HSBUF不定PCON0***0000B復(fù)位后，程序計數(shù)器PC[15]的值是0000H說明：AT89S51單片機的程序起始位置是在內(nèi)存的0000H，也就是說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，直接運行。只要Vcc上升時間不超過1ms，通過在Vcc和RST引腳之間一個10uF電容，RST和Vss引腳〔即地〕之間加一個10kΩ的電阻，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即翻開電源就可以自動復(fù)位。也可以進行手動復(fù)位，在Vcc和RST引腳之間接一個按鍵，即可以實現(xiàn)手動復(fù)位。復(fù)位電路可以參考圖3-2：圖3-2單片機復(fù)位電路2〕程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機的根本工作方式。所執(zhí)行的程序可以放在內(nèi)部ROM、外部ROM或者同時放在內(nèi)外ROM中。假設(shè)程序全部放在外部ROM中〔如對8031〕，那么應(yīng)使EA=0；否那么，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開始的。但真正的程序一般不可能從0000H開始存放，因此，需要在0000H單元開始存放一條轉(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)行方式是使程序的執(zhí)行處在外加脈沖〔通常用一個按鍵產(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入中斷。將外加脈沖加到INT0輸入，平時為低電平。通過編程規(guī)定INT0信號是低電平有效，因此不來脈沖時總是處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。在中斷效勞程序中要安排這樣的指令：JNBP3.2；假設(shè)INT0=0，不往下執(zhí)行JBP3.2；假設(shè)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，單片機的耗電降至最小。當(dāng)電源恢復(fù)時，VPD應(yīng)該保持足夠長的時間〔約10ms〕，以保證振蕩器的起振和到達穩(wěn)定，然后重新開始正常工作。在掉電方式下，CPU暫時不工作，但也隨時準備恢復(fù)工作。3.3設(shè)置報警模塊此模塊主要由鍵盤、報警器[11]組成(相關(guān)的電路設(shè)計下一章將會有詳細的介紹)。氣體濃度經(jīng)過鍵盤設(shè)置后送單片機記錄，在采集到的氣體濃度過大，超過平安值時單片機驅(qū)動蜂鳴器工作，提供報警效勞。4硬件電路設(shè)計與分析每一個設(shè)計都要以一定的知識為根底，知識的多少在一定程度上決定了設(shè)計出來的東西的好壞程度。這些知識包括硬件知識和軟件知識。硬件知識用來設(shè)計硬件電路，以實現(xiàn)信號的采集、放大、轉(zhuǎn)換和顯示等功能。軟件知識用來設(shè)計芯片處理數(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)計也需要對芯片進行編程序。本章將介紹本次設(shè)計用到的一些根本知識和主要芯片。電路的設(shè)計都在建立在理論的根底上。理論依據(jù)的成立與否在很大程度上決定了電路設(shè)計的成功，也整個系統(tǒng)能否實現(xiàn)的根本。為此，本章將著重介紹硬件電路的設(shè)計以及分析。4.1系統(tǒng)電源的設(shè)計直流穩(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。下面簡單介紹本設(shè)計使用到的電源器件：三端固定式集成穩(wěn)壓器。三端固定式集成穩(wěn)壓器三端固定式集成穩(wěn)壓器有78XX/79XX系列，它是固定輸出電壓式穩(wěn)壓器，片內(nèi)有過流保護和過熱保護功能，外接兩只電容就可以簡單構(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，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；假設(shè)集成穩(wěn)壓器過熱，那么穩(wěn)壓器停止工作，也防止穩(wěn)壓器遭到損壞。圖中C1用以抑制過電壓，抵消因輸入線過長產(chǎn)生的電感效應(yīng)并消除自激振蕩；C2用以改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，即瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動。C1，C2一般選用滌綸電容，容量為0.1μF或者幾個μF。安裝時，兩電容應(yīng)直接與三端集成穩(wěn)壓器的引腳根部相連。78XX系列為正電壓輸出，79XX為負電壓輸出，各自有100mA、500mA和1.5A三個系列。78XX系列和79XX系列的管腳配置不同，在接線的時候要特別注意。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、保護電路、控制電路和誤差放大器等組成，Vo-COM間電壓與基準電壓進行比擬，工作時經(jīng)常保持一致，當(dāng)輸入電壓Vi或輸出電流Io變化時，使輸出Vo保持穩(wěn)定。三端穩(wěn)壓器[12]為了使電路能穩(wěn)定工作，在輸入端和輸出端分別接入電容。輸入端穩(wěn)定電容是當(dāng)穩(wěn)壓器輸入阻抗降低時，防止發(fā)生震蕩，可采用0.1～1uF的陶瓷電容,在應(yīng)用中一般要在輸入端前加一個電解電容，即平滑電容。當(dāng)平滑電容距離穩(wěn)壓器很近時，可以省掉陶瓷電容。輸出端電容也是穩(wěn)定電容，對于降低輸出紋波、輸出噪聲及負載電流變化的影響有很好的效果，采用0.1～1uF的陶瓷電容就可以了。電源電路的設(shè)計根據(jù)以上所介紹的參數(shù)，本系統(tǒng)所用+5V電源采用7805穩(wěn)壓管，將由變壓器送出來的9V交流電壓變成5V直流電壓。本電路使用整流全橋?qū)?V交流電壓進行整流，然后經(jīng)過濾波電路送入7805穩(wěn)壓管，從而得到穩(wěn)定的+5V直流電壓。電路圖如圖4-2所示：本電路工作時，先將插頭接到220V市電上，由開關(guān)接通電源，此時，紅色發(fā)光二極管工作顯示電源接通狀態(tài)。圖4-2系統(tǒng)+5V電源電路設(shè)計4.2信號采集放大電路的設(shè)計氣敏傳感元件特性(1)靈敏度特性氣敏元件的靈敏度特性,是表征氣敏器件對檢測氣體敏感程度的指標.半導(dǎo)體氣敏元件對多種可燃性氣體和液體蒸汽都有敏感性能,其靈敏度視氣體和液體蒸汽不同而有所不同.器件靈敏度雖各有差異,但它們都遵循共同規(guī)律,即氣敏元件阻值與檢測氣體濃度成對數(shù)關(guān)系變化：logRc=m.logC+n(4-1)式中n與氣體檢測靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和添加劑的不同而發(fā)生大幅度變化。m為氣體的別離度，隨氣體濃度變化而變化。(2)溫濕度特性半導(dǎo)體氣敏元件敏感原理是基于敏感體外表的吸附反響,所以易受環(huán)境溫度、濕度影響.由于氣敏器件與環(huán)境溫濕度有一定依賴關(guān)系,所以在需要較高精度和可靠性的應(yīng)用中,在電路中要參加溫濕度補償.濕度傳感器的昂貴價格限制了濕度補償?shù)牟捎茫话銉H作溫度補償即可取得較好效果。(3)加熱特性半導(dǎo)體氣敏元件需要在加熱狀態(tài)下工作,加熱溫度影響器件的性能,加熱功率變化,元件電阻及靈敏度也相應(yīng)的有所變化，所以傳感器的工作電源應(yīng)使用穩(wěn)壓電源。(4)初期恢復(fù)特性:氣敏元件在不通電狀態(tài)下存放后,再通電時并不能立即投入正常工作,其電阻值會有一段急劇變化過程,而后趨于穩(wěn)定.元件由通電至趨于穩(wěn)定的時間稱為初期恢復(fù)時間。初期恢復(fù)時間與元件種類、存放時間和存放環(huán)境狀態(tài)有關(guān)；一般不通電存放時間長,初期恢復(fù)時間亦長，但一般都在5分鐘以內(nèi)。由于這種影響使得氣體檢漏儀或報警器在通電初期即使沒有檢測氣體,也會觸發(fā)報警,即所謂通電初期誤動作.為此,在設(shè)計報警器電路時,可采取適當(dāng)措施,設(shè)法消除這種誤動作現(xiàn)象或防止這種影響.(5)長期工作穩(wěn)定性半導(dǎo)體氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的金屬氧化物制成的，因此它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達3年以上。信號采集放大電路的設(shè)計根據(jù)QM-N5的性能參數(shù)以及以上所述參數(shù)，可知將信號采集放大的關(guān)鍵是將QM-N5的可變阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因此本設(shè)計使用了LM358運算放大器。信號采集放大電路如以下圖4-4所示：圖4-4信號采集放大電路4.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計4.3.1ADC0809的介紹由于AT89S51內(nèi)部沒有A/D轉(zhuǎn)換，我們在把相應(yīng)的濃度模擬信號轉(zhuǎn)換為能夠被單片機所識別的數(shù)字信號的時候，需要用到芯片ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單片機用軟件產(chǎn)生進行其它輸出?！?〕8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。〔2〕具有轉(zhuǎn)換起、停控制端。以下圖為ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖〔圖4-5〕：圖4-5ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-6ADC0809的引腳圖下面來介紹一下ADC0809的引腳功能，ADC0809的引腳圖如圖4-6：ADC0809的引腳功能：〔1〕IN0～IN7：8路模擬輸出端。A、B、C的狀態(tài)字決定在A/D轉(zhuǎn)換時用哪個模擬輸入端輸入?！?〕ALE〔22腳〕：地址鎖存器允許信號輸入端。當(dāng)它為高電平時，地址信號進入地址鎖存器中〔3〕CLOCK〔10腳〕：外部時鐘輸入端。時鐘頻率典型值為640KHZ，允許范圍為10KHZ到1280KHZ。時鐘頻率低時，A/D轉(zhuǎn)換速度也降低?！?〕START〔6腳〕：A/D轉(zhuǎn)換信號輸入端。有效信號為一正脈沖。在脈沖上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部存放器均被清零在下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換?！?〕EOC〔7腳〕：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。在START信號上升沿之后的0～2us+8個時鐘周期時間內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖?。?dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC立即輸出一個〔正〕階躍信號，可用來作為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號或中斷的請求信號?！?〕OE〔9腳〕：輸出允許信號。當(dāng)OE輸入高電平信號時，三態(tài)輸出鎖存器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出?！?〕D0～D7：數(shù)字量輸出端。D0為最低有效位〔LSB〕，D7為最高有效位〔MSB〕?！?〕12、16腳REF〔+〕、REF〔-〕：正負基準電壓輸入端?；鶞孰妷旱闹行闹怠睼REF〔+〕+VREF〔-〕〕/2應(yīng)接近于Vcc/2，其偏差值不應(yīng)該超過0.1。正負基準電壓的典型值分別為+5V和0V。〔9〕Vcc〔11腳〕、GND〔13腳〕：電源電壓輸入端。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比擬器。START上升沿將逐次逼近存放器復(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門翻開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。電路具體設(shè)計方法本設(shè)計采用P2.7和WR控制芯片轉(zhuǎn)換開始，使用INT0中斷調(diào)用P1口傳輸數(shù)據(jù)，P2.7和RD控制單片機讀取數(shù)據(jù)。ADDC接地，P2.5和P2.6分別控制ADDB和ADDA選擇通道IN0～IN3。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4-7所示：圖4-7A/D轉(zhuǎn)換電路4.4存儲器電路的設(shè)計本設(shè)計采用EEPROM存儲器[10]。EEPROM即電可擦除可編程只讀存儲器,它的突出優(yōu)點是在線擦除和改寫.它既具有ROM的非易失性的優(yōu)點,又能像RAM一樣隨機的讀寫.在單片機系統(tǒng)中EEPROM既可以擴展為片外ROM,又可以擴展為片外RAM.調(diào)試程序中用EEPROM代替仿真RAM既能方便的修改程序,又能保存調(diào)好的程序,但是與RAM相比EEPROM寫操作的速度很慢,另外它的壽命也是有限的.通過參數(shù)比擬，本設(shè)計采用X2816C型號的EEPROM，它是2K×8BitEEPROM。該器件采用先進的NMOS工藝制造，能以字節(jié)為單位進行擦除和改寫，而不是像EPROM那樣整體擦除，也不需要把芯片從系統(tǒng)中撥下來用編程器編程。該器件使用簡單，操作方便，采用5V單電源供電，能同時支持字節(jié)寫和頁寫等多種操作方式，讀寫速度快。A0～A10共11根地址線正好可尋址2K的存儲空間。地址信號經(jīng)過地址譯碼器譯碼，選中要操作的存儲器單元。CE、OE、WE作為控制線，其不同的狀態(tài)組合控制芯片進行不同的操作。I/O0～I/O7作為8位數(shù)據(jù)線，是輸入/輸出數(shù)據(jù)的通道。8D觸發(fā)器74LS373的OE可直接接地選通，片選信號LE由單片機的ALE直接控制，其電源和X2816C的電源一樣都接5V。存儲器X2816C與單片機電路連接如以下圖4-8所示：圖4-8存儲器X2816C與單片機電路連接圖4.5顯示器電路的設(shè)計顯示模塊LCD1602(1)LCD1602模塊[13]驅(qū)動：通常不接LCD的背光,因為采用背光的話,需要的電流太大，從而會造成穩(wěn)壓管發(fā)熱特別厲害引腳說明：RS：存放器選擇輸入端；RS＝0,如果是寫狀態(tài),指向指令存放器,如果是讀,指向地址計數(shù)器RS＝1，不管是寫狀態(tài)還是讀狀態(tài),指向數(shù)據(jù)存放器RW：為0：寫狀態(tài)；為1：讀狀態(tài)；E：使能型號輸入端,讀狀態(tài),高電平有效;寫狀態(tài),下降沿有效注意常用的命令：0x01：清屏0x38：8位數(shù)據(jù)傳送〔0x28，4位數(shù)據(jù)傳送〕0x0C：開LCD；0x08：關(guān)LCD0x18：字符左移0x04：向左移動光標0x06：向右移動光標(2)通信方式線并行通信〔命令：0x38〕采用8線并口通信,占微控制端的I/O口,具體程序可以見發(fā)布的程序。顯示電路設(shè)計LCD1602的數(shù)據(jù)口與單片機通過P1口連接，使能端E、RW和RS分別跟P3.5、P3.6和P3.7連接，VO通過接一個10K的電位器來控制液晶屏幕的亮度。電路使用5V電源供電。LCD1602與單片機連接電路圖如以下圖4-9所示：圖4-9LCD1602與單片機連接電路圖4.6報警器電路的設(shè)計報警器在采集到的濃度信號大于系統(tǒng)設(shè)定值時，由P3.4口發(fā)出一個高電平信號，持續(xù)時間為無限長，直到單片機撤消高電平信號為止，其撤消信號由鍵盤Delete鍵發(fā)出。詳細工作過程為單片機從P3.4口發(fā)出高電平信號，高電平使三極管8550導(dǎo)通，點亮紅色發(fā)光二極管，并觸動蜂鳴器發(fā)出報警聲音。系統(tǒng)報警器電路圖如以下圖4-10所示：圖4-10系統(tǒng)報警器電路圖4.7鍵盤電路的設(shè)計矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行，列的交叉點上。很明顯的，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)約很多的I/O口。本設(shè)計需要初值設(shè)置以及其它功能，需要0~9共10個數(shù)字鍵、設(shè)置鍵、刪除鍵、確定鍵、上翻頁、下翻頁和上檔鍵等16個按鍵。因此采用了4×4行列結(jié)構(gòu)的鍵盤。鍵盤的工作原理按鍵設(shè)置在行、列交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到＋5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)；而當(dāng)由按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將有與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線的電平如果為低電平，那么行線為低電平；列線為高電平，那么行線也為高電平。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列的電平。因此各按鍵彼此之間互相影響，所以必須將行、列線信號配合起來并做適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。鍵盤的識別(1)識別方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵按下；第二步，如果有鍵按下，識別出具體的按鍵。分述如下：識別鍵盤有無鍵被按下的方法是：讓所有的列線均置0電平，檢查各行線的變化，那么說明有鍵按下，那么說明有鍵按下，如果沒有變化，那么說明無鍵按下。識別出鍵盤的具體方法是：逐列置零電平，其余的各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平的變化由高電平變?yōu)?電平，那么可確定此行交叉點處的按鍵被按下。(2)鍵盤的編碼。對于獨立式按鍵鍵盤，由于按鍵的數(shù)目較少，可以根據(jù)實際需要靈活的編碼。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位式行號，低4位是列號將是非常直觀的。如12H表示第一行第二列的按鍵，但是這種編碼對于不同的行的鍵，離散性大。本設(shè)計鍵盤的編碼對應(yīng)關(guān)系表如表4-2所示：表4-2鍵盤的編碼對應(yīng)關(guān)系表鍵號0123鍵值00H01H02H03H功能Set987鍵號4567鍵值04H05H06H07H功能+1654鍵號891011鍵值08H09H0AH0BH功能-1321鍵號12131415鍵值0CH0DH0EH0FH功能EnterDeleteShift0鍵盤的工作方式單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務(wù)時如何兼容鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原那么是既要保證能及時響應(yīng)按鍵操作，又要不過多的占用CPU的工作時間。通常鍵盤有編程掃描，定時掃描和中斷掃描。CPU對鍵盤的掃描采取程序控制的方式，一旦進入鍵掃描狀態(tài)，那么反復(fù)的掃描鍵盤，等待用戶從鍵盤上輸入命令或是數(shù)據(jù)。而在執(zhí)行鍵入命令或是處理鍵入數(shù)據(jù)過程中，CPU將不再響應(yīng)鍵入要求，直到CPU返回重新掃描鍵盤為止。定時掃描工作方式是利用單片機內(nèi)定時器產(chǎn)生定時中斷，CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能程序。定時掃描工作方式的鍵盤硬件電路與編程掃描方式相同。鍵盤電路工作于編程掃描狀態(tài)，CPU要不間斷的對鍵盤進行掃描工作，以監(jiān)視鍵盤的輸入情況，直到有按鍵為止。其間CPU不能作其他的任何工作，如果CPU工作量較大的時候，這種方式就不是很實用。定時掃描進行了一大步，除了定時監(jiān)視一下鍵盤的輸入情況外，其余的時間可以進行其他的任務(wù)的處理，CPU的效率提高了，為了進一步提高CPU的工作效率，可以采用中斷掃描方式，即只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行該鍵盤的功能程序，如果無鍵按下，CPU不理睬鍵盤?？梢哉f，前兩個掃描方式，CPU對鍵盤的監(jiān)視時主動進行的，而后一種方式，CPU對鍵盤的監(jiān)視是被動的。本設(shè)計采用了中斷工作方式，由INT0口接收中斷信號，來控制單片機調(diào)用鍵盤控制子程序，啟動鍵盤功能工作。本設(shè)計中的鍵盤的上拉電阻均為10K，電壓為＋5v。鍵盤電路的大小在7×8立方厘米左右，16個按鍵安排緊湊合理，小巧精致，美觀大方，而且使用性能很好。系統(tǒng)鍵盤電路設(shè)計圖如圖4-11所示。圖4-11系統(tǒng)4x4鍵盤電路設(shè)計圖4.8串口通信電路的設(shè)計串行通信接口標準經(jīng)過使用和開展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標準的根底上經(jīng)過改良而形成的。所以，以RS-232C為主來討論。RS-323C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會〕與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。RS-232標準RS-232C標準〔協(xié)議〕的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS〔recommendedstandard〕代表推薦標準，232是標識號，C代表RS232的最新一次修改〔1969〕，在這之前，有RS232B、RS232A。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。目前在IBMPC機上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。電氣性能與電平轉(zhuǎn)換〔1〕電氣性能EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V邏輯0(SPACE)=+3～＋15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效〔接通，ON狀態(tài)，正電壓〕＝+3V～+15V信號無效〔斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V〔2〕電平轉(zhuǎn)換EIA-RS-232C與TTL轉(zhuǎn)換：EIA-RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以上下電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，MAX232芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中由于下載器單片機輸入輸出采用COMS電壓，因此在串口與其接口局部即采用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換，圖3.14顯示了MAX232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳和具體連接方法。接口機械性能連接器：由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。圖3.15分別介紹兩種連接器。①DB-25：PC和XT機采用DB-25型連接器[14]。DB-25連接器定義了25根信號線，分為4組：異步通信的9個電壓信號〔含信號地SG〕2，3，4，5，6，7，8，20，22；20mA電流環(huán)信號9個〔12，13，14，15，16，17，19，23，24〕；空6個〔9，10，11，18，21，25〕；保護地〔PE〕1個，作為設(shè)備接地端〔1腳〕。②DB-9連接器它提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，假設(shè)與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備連接，必須使用專門的電纜線。圖4-12MAX232內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連線示意圖電纜長度：在通信速率低于20kb/s時，RS-232C所直接連接的最大物理距離為15m〔50英尺〕。最大直接傳輸距離說明：RS-232C標準規(guī)定，假設(shè)不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間最大傳輸距離為15m〔50英尺〕?？梢娺@個最大的距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標準在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動器的負載電容應(yīng)小于2500pF。接口信號RS-232C規(guī)定標準接口有25條線，4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是：①聯(lián)絡(luò)控制信號線：數(shù)據(jù)裝置準備好〔Datasetready-DSR)——有效時〔ON〕狀態(tài)，說明MODEM處于可以使用的狀態(tài)。數(shù)據(jù)終端準備好(Datasetready-DTR)——有效時〔ON〕狀態(tài)，說明數(shù)據(jù)終端可以使用。這兩個信號有時連到電源上，一上電就立即有效。這兩個設(shè)備狀態(tài)信號有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信要由下面的控制信號決定。請求發(fā)送(Requesttosend-RTS)——用來表示DTE請求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時，使該信號有效〔ON狀態(tài)〕，向MODEM請求發(fā)送。它用來控制MODEM是否要進入發(fā)送狀態(tài)。允許發(fā)送〔Cleartosend-CTS〕——用來表示DCE準備好接收DTE發(fā)來的數(shù)據(jù)，是對請求發(fā)送信號RTS的響應(yīng)信號。當(dāng)MODEM已準備好接收終端傳來的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時，使該信號有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。這對RTS/CTS請求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡(luò)信號，使其變高。接收線信號檢出(ReceivedLinedetection-RLSD)——用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)本地的MODEM收到由通信鏈路另一端〔遠地〕的MODEM送來的載波信號時，使RLSD信號有效，通知終端準備接收，并且由MODEM將接收下來的載波信號解調(diào)成數(shù)字量數(shù)據(jù)后，沿接收數(shù)據(jù)線RxD送到終端。此線也叫做數(shù)據(jù)載波檢出(DataCarrierdetection-DCD〕線。振鈴指示(Ringing-RI)——當(dāng)MODEM收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效〔ON狀態(tài)〕，通知終端，已被呼叫。②數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitteddata-TxD)——通過TxD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM，(DTE→DCE)。接收數(shù)據(jù)(Receiveddata-RxD)——通過RxD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)，(DCE→DTE)。③地線有兩根線SG、PG——信號地和保護地信號線，無方向。設(shè)計如以下圖4-13所示：圖4-13串口通信電路設(shè)計5軟件設(shè)計5.1單片機編程[16]本設(shè)計可以用C語言編程序，也可以用匯編語言編程序，本人選擇了用C語言編寫程序。主要編程序來控制定時、計時中斷、和輸出等。5.2程序框圖和主要程序主程序(1)按照以上的軟件程序設(shè)計[17]思想，可以畫出程序的流程圖并根據(jù)流程圖寫出相應(yīng)的程序。程序流程圖如以下圖5-1所示：中斷效勞程序如以下圖5-2所示：主程序中斷效勞程序判斷為何種中斷工作狀態(tài)中斷效勞程序判斷為何種中斷工作狀態(tài)ADC0809程序鍵盤程序中斷返回INT1INT0中斷系統(tǒng)初始化ADC0809初始化延時程序選擇傳感器等待中斷計時器初始化數(shù)據(jù)送存儲器數(shù)據(jù)送存儲器數(shù)據(jù)送顯示器數(shù)據(jù)送顯示器圖5-1程序流程圖圖5-2中斷效勞程序流程圖6系統(tǒng)調(diào)試6.1硬件調(diào)試焊好電路板后，整個控制器的設(shè)計就正式進入調(diào)試階段。在進行軟件調(diào)試之前一定要進行電路板的調(diào)試，以防止由于硬件電路故障導(dǎo)致軟件調(diào)試失敗。首先要進行的是銅線的連接檢查，看看哪里有不易發(fā)覺的斷線現(xiàn)象出現(xiàn)。具體的調(diào)試方法是使用數(shù)字萬用表，把旋鈕開關(guān)旋到電阻檔，紅黑表筆分別去測同一根銅線的電阻，如果線沒有斷的話，萬用表的顯示應(yīng)該是都為0，假設(shè)出現(xiàn)無窮大的顯示那么表示此線以斷了，這時只要烙鐵輕輕點少量焊錫把線連上即可。在硬件電路中有些線與線之間布得比擬集中，焊盤也緊挨著線，在這種地方最容易出現(xiàn)短路。檢查方法和檢查斷線的方法相似，也是利用萬用表，旋鈕開關(guān)旋到測二極管的檔位，將紅黑兩表筆分別測疑心已經(jīng)短路的線或者焊盤上，如果已經(jīng)短路的話萬用表會發(fā)出報警聲，反之，萬用表不會報警。遇到焊盤和焊盤或焊盤和銅線短接時只要用一根細而硬的針把連在一起的地方刮斷就可以了。在測試開關(guān)的時候發(fā)現(xiàn)按鍵按下后P2口的電平?jīng)]有變化，反復(fù)檢查了幾次都是維持在低電平而無法出現(xiàn)高電平，在排除是單片機芯片故障后又詳細的檢查了電路圖，終于發(fā)現(xiàn)是上拉電阻的接法接錯了，正確的接法是上拉電阻接在單片機與按鍵電路之間，而原理圖中由于一時疏忽將上拉電阻接在了按鍵與地之間，這樣的接法相當(dāng)于使按鍵局部失效，永遠無法讀入按鍵的鍵號，更改電路圖后按鍵電路的故障就完全消除了。6.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試先是進行燒寫單片機程序，可以檢查出一些語法錯誤，檢查無誤后就可以進行全面的調(diào)試。就是根據(jù)軟件實現(xiàn)步驟逐個檢查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能到達設(shè)計的要求。沒有硬件電路，軟件是無法進行調(diào)試的，在硬件電路檢查無誤后就可以調(diào)試軟件了。由于編程時用的是C語言，程序編寫簡單，編程時不必考慮單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以程序總體上沒有錯誤。由于在此之前寫入一個小程序來檢測硬件沒有問題，所以現(xiàn)在只需要調(diào)試好程序即可。設(shè)定，采集，報警這三個模塊的調(diào)試比擬順利，根本是和預(yù)期的一樣。但是在調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換是發(fā)生了意外，在把A/D轉(zhuǎn)換的程序?qū)懭雴纹瑱C運行后，LCD1602顯示的是零。一開始以為是接線接錯了，但是在仔細核查一遍后，發(fā)現(xiàn)沒有接錯。后來進一步檢查改良程序后發(fā)現(xiàn)，原來是寫程序的時候有一條多余的語句沒有屏蔽掉，造成送到LCD只能顯示零,到這里軟件根本上調(diào)試完成。6.3調(diào)試結(jié)果解決了以上的硬件和軟件問題后，整個室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)就完成了，經(jīng)過屢次的測試說明：此室內(nèi)故障監(jiān)測報警系統(tǒng)能實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計所要求的到達的功能。6.4小結(jié)(1)特點：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)元件接觸復(fù)原性氣體時，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、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，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)時間短。用它做成的報警器完全可以到達UL2034標準，不需溫、濕度補償。(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50Ω±2Ω)環(huán)境條件：溫度-10℃～+50℃,相對濕度≤95%初期穩(wěn)定時間：≤15分鐘響應(yīng)時間：≤10s恢復(fù)時間：≤60s檢測煤氣濃度范圍：50～20000ppm其優(yōu)點在于：〔1〕本錢低廉并能對煙霧和煤氣準確報警?！?〕該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在適宜位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡捷?！?〕能起到預(yù)防煤氣中毒的效果，使人們高枕無憂。該產(chǎn)品必須能夠有效預(yù)防廣闊農(nóng)村居民的冬季燃煤取暖一氧化碳中毒事件的發(fā)生，同時也能夠給城鎮(zhèn)居民平安使用煤氣提供有力的保障。參考文獻[1]陳小忠，黃寧，趙小俠編著．單片機接口技術(shù)實用子程序[M]．北京：人民郵電出版[2]尹勇，王洪成編著.單片機接口技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社,2004．[3]沙占友．集成化智能傳感器原理與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社．2004．1：198~222．[4]陳嶺麗，馮志華主編.檢測技術(shù)和系統(tǒng)[M]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