畢業(yè)設計58瓦斯探測器的設計與實現(xiàn)

濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 1 目 錄 摘 要 . 3 ABSTRACT . 4 第一章 前 言 . 5 第二章 方案選擇及分析 . 7 一 方案的選擇及制定 . 7 二 單 片機的選擇 . 8 三 檢測元件的選擇 . 8 四 顯示與報警部分 . 9 第三章 主要硬件介紹 . 10 一 AT89C51 單片機說明 . 10 1 AT89C51 引腳說明 . 10 2 AT89C51 內(nèi)存空間 . 14 3 AT89C51 復位后內(nèi)部各寄存器的數(shù)據(jù)值 . 16 4 AT89C51 各中斷源向量地址 . 16 5 主要特殊功能寄存器說明 . 16 二 氣敏傳感器 . 22 電阻式金屬氧化物半導體傳感器 . 22 非電阻式金屬氧化物半導體氣體傳感器 . 24 第四章 瓦斯探測器硬件的設計與實現(xiàn) . 25 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 2 一 系統(tǒng)總體設計 . 25 二 單片機電路 . 26 三 瓦斯檢測電路的設計 . 26 四 LED 燈顯示的設計 . 27 五 蜂鳴器的設計 . 27 六 時鐘電路的設計 . 28 七 復位電路的設計 . 28 第五章 系統(tǒng) 的軟件設計 . 30 一 設計要求 . 30 二 單片機的工作過程 . 31 三 軟件流程和源程序 . 32 第六章 調(diào)試及運行結(jié)論 . 37 一 調(diào)試 . 37 二 所達到的性能指標 : . 37 三 運行結(jié)論 . 38 謝 辭 . 39 參 考 文 獻 . 40 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 3 瓦斯探測器的設計與實現(xiàn) 學生 :袁成斌 指導教師：王德杰 摘 要 本文概述了 瓦斯探測器 的現(xiàn)狀及其基本原理，主要論述了利用單片機實現(xiàn) 瓦斯探測器 的設計與實現(xiàn)方法。 瓦斯探測器 是一種采用單片機控制的智能化儀表，為了滿足煤礦井下使用攜帶方便、安全可靠等要求，在設計上作了如下的必要的考慮：考慮到小型化儀表的結(jié)構(gòu)，以及今后改進的方便，我們將單片機進行了模塊化處理。系統(tǒng)的各個模塊都由它控制完成。 本文針對目前 情況設計一種井下便攜式瓦斯探測器，當瓦斯氣體濃度接近危險值時，自動發(fā)出報警，提醒井下人員立刻離開。該設備同時還具備靈敏度調(diào)節(jié)和檢測強度調(diào)節(jié)開關，有簡單、方便、準確、實用等特點 。 關 鍵 詞 : AT89C51 瓦斯氣體檢測 氣敏傳感器 報警 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 4 Abstract This paper has outlined the gas detector present situation and its the basic principle, mainly elaborated the use monolithic integrated circuit realization gas detector design and the realization method. The gas detector is one kind the intellectualized measuring appliance which uses the monolithic integrated circuit to control, in order to satisfy the coal mine mine shaft use to carry conveniently, safe is reliable and so on the request, has made the following necessity consideration in the design: Considered the miniaturized measuring appliance the structure, as well as next improvement convenient, we have carried on the monolithic integrated circuit modular processing. System each module all controls by it completes. This paper designs one kind of mineshaft portable gas detector in view of the present situation, when the gas gas density approaches the dangerous value, automatically sends out reports to the police, the reminder mineshaft personnel leaves immediately. At the same time this equipment also has the sensitivity adjustment and the examination intensity regulating cock, has simply, convenient, accurate, is practical and so on the characteristic. Keywords : AT89C51 Gas gas detection Angry quick sensor Reports to the police 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 5 第一章 前 言 在煤礦生產(chǎn)中，隨著煤層采動，煤層中往往會涌出礦井瓦斯，瓦斯是煤礦開采中所產(chǎn)生的有害氣體總稱，它具有獨特的性質(zhì)和特點。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氫等。瓦斯在煤體和圍巖中，以 游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡。當外界溫度、壓力變化時這幾種狀態(tài)就會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。瓦斯在煤層開采過程中被逸散出來，在井下積累造成井下瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱斖咚節(jié)舛冗_到5%-16%時具有爆炸性，瓦斯?jié)舛葹?9.5%時爆炸威力最大，當瓦斯?jié)舛刃∮?%或大于 16%時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，形成燃燒事故。因此煤層瓦斯?jié)舛鹊拇笮≈苯佑绊懨旱V的設計、建設、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟利益。我國一些煤礦由于瓦斯預測不準，造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。因此準確而迅速地測出礦井瓦斯涌出量與突出危險區(qū)域，對煤礦安全生產(chǎn)和提高 經(jīng)濟效益具有重大的意義。 目前國內(nèi)市場中的該類設備種類較少，性能一般。國外同類產(chǎn)品，雖性能較先進，但價格較高。改造或重新設計瓦斯探測器的設計，提高其工作效率，提高該產(chǎn)品的科技含量，降低性能價格比，會為該產(chǎn)品的應用帶來廣闊的市場應用前景。 MCS 51 系列單片機技術是目前流行的工業(yè)控制技術，已十分成熟，利用 MCS 51 系列單片機技術設計此設備具用重要的意義。 礦井瓦斯是煤礦生產(chǎn)過程中，從煤、巖內(nèi)涌出的各種氣體的總稱。煤礦濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 6 術語中的瓦斯指的就是甲烷。瓦斯爆炸的主要參數(shù) : 1、瓦斯的爆炸濃度 在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯 只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸，這個濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限叫爆炸下限，其最高濃度界限叫爆炸上限，瓦斯在空氣中的爆炸下限為 5 6，上限為 14 16。瓦斯爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中重要的有： 2、氧的濃度 正常大氣壓和常溫時，瓦斯爆炸濃度與氧濃度關系，如柯瓦德爆炸三角形。氧濃度降低時，爆炸下限變化不大 (BE 線 )爆炸上限則明顯降低 (CE 線 )。氧濃度低于 12時，混合氣體就失去爆炸性。 4、煤塵 煤塵具有爆炸危險， 300 400時就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃氣 體，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險性增加 . 5、空氣壓力 爆炸前的初始壓力對瓦斯爆炸上限有很大影響。可爆性氣體壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。 該課題涉及到模擬電子技術、數(shù)字電子技術、單片機控制及應用、Protel99、專業(yè)英語、 傳感器 等多門專業(yè)知識。本課題讓我們綜合利用大學所學的專業(yè)課程的基礎，利用單片機對控制系統(tǒng)做基本的設計，使我們進一步了解我們的專業(yè)，使我們的專業(yè)知識學以致用，同時也增強了我們的動手能力，懂得了如何完成一個實際的科研項目。在這近 3 個月的畢業(yè)設計階段我們學到了許多 課本以外的專業(yè)知識，為我們以后的學習及以后走上工作崗位打下堅實的基礎。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 7 第二章 方案選擇及分析 一 方案的選擇及制定 本儀器是一種單片機控制的智能化儀表，為了滿足煤礦井下使用攜帶方便、安全可靠等要求，在設計上作了如下的必要的考慮：考慮到小型化儀表的結(jié)構(gòu)，以及今后改進的方便，我們將單片機（ CPU）進行了模塊化處理。系統(tǒng)的各個模塊都由它控制完成。 系統(tǒng)由單片機，瓦斯氣體檢測電路， LED 報警燈，蜂鳴報警，及晶震電路組成。如圖 2-1所示。單片機選用 AT89C51， LED 燈由一個紅燈一個綠燈組成，正常工作時，綠 燈亮，表示系統(tǒng)開機且正常工作；當空氣中的瓦斯氣體濃度到達危險值時，檢測電路向單片機發(fā)送信號，單片機控制 LED 紅燈亮，同時控制蜂鳴電路工作，以此來確保井下人員能立即得到警報。 圖 2-1 系統(tǒng)方框圖 瓦斯氣體 瓦斯氣體 檢測 單片機 警報輸出 開關控制 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 8 二 單 片機的選擇 AT89C51 是美國愛特梅爾公司的高性能單片機 ,其與 8051 的單片機指令系統(tǒng)完全兼容 ,與 8051的單片機硬件結(jié)構(gòu)也基本相同 ,DIP 封裝相同。 89 系列同 8051 系列相比具有以下特點 : 4kB 可編程序 FLASH 存儲器 (可經(jīng)受1000 次的寫入 /擦除周期 ) ;全靜態(tài)工作 :0 24MHz ;三級程序存儲器保密。 另外 ,AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設計的 ,其工作頻率可下降到 0Hz ,并提供兩種可用軟件來控制的省電方式 :空閑方式和掉電方式。它是通過控制專用寄存器 PCON ( 電源控制寄存器 ) 中的 PD(PCON. 1) 和 IDL (PCON. 0) 來實現(xiàn)的。 PD 是掉電方式位 ,當 PD = 1 時激活掉電工作方式 , IDL 是空閑工作位 ,當 IDL = 1 時激活空閑方式 ,當 PD 和 IDL 同時為 1 時 ,則先激活掉電方式。 AT89C51的晶振頻率為 12MHZ。 三 檢測元件的選擇 瓦斯傳感器是煤礦重要的安全儀器 , 國外從 30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴展到毒性氣體 (CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。 在本設計中瓦斯檢測采用電阻式半導體氣體傳感器作為檢測元件。與其他類型的瓦斯傳感器相比，其優(yōu)點是在測爆炸范圍內(nèi)的可燃性氣體精度高，受背景氣體、濕度、氣壓影響小，輸出信號大，成本底，制作方便。 電阻式半導體氣體傳 感器是通過檢測氣敏元件隨氣體含量的變化情況濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 9 而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應用范圍。 四 顯示與報警部分 本儀器顯示部分采用兩個 LED 液晶顯示器組成，該電路耗電小。 報警部分由蜂鳴器實現(xiàn)。蜂鳴器的設計主要是考慮當報警時確保井下人員能及時得知，未看到紅燈時能聽到聲音。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 10 第三章 主要硬件介紹 一 AT89C51 單片機說明 1 AT89C51 引腳說明 （圖 3-1） AT89C51單片機的引腳圖 引腳說明如下 VCC AT89C51 電源正極輸入，接 +5V 電壓。 GND 電源接地端。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 11 XTAL1 接外部晶振的一個引腳。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，些引腳應接地。 XTAL2 接外部晶振的一個引腳。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。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。 RST AT89C51 的復位信號輸入引腳，高電位工作，當要對芯片又時，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， AT89C51 便能完成系統(tǒng)復位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設成已知狀態(tài)。 ALE/PROG ALE 是英文 ADDRESS LATCH ENABLE的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當 8031， 8051， 8751， AT89C51 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，則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)部無程序存儲濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 12 器空間。如果是使用 AT89C51 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。 此外，在將程序代碼燒錄至 8751 內(nèi)部 EPROM、 89C51 內(nèi)部 FALSH 時，可以利用此引腳來輸入提供編程電壓（ 8751 為 2lV、 AT89C51 為 12V、 8051 是由生產(chǎn)廠方一次性加工好 )。 PSEN 此為 Program Store Enable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。 P0 P0 口 (P0.0P0.7)是一個 8 位漏極開路雙向輸入 輸出端口，當訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向 I O 口用。 P0 口每一個引腳可以推動 8 個 LSTTL 負載。 P2 P2 口 (P2.0P2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口 (準雙向并行 I/O 口 )，當訪問外部程序存儲器時，它是高 8 位地址。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向 I O 口用。每一個引腳可以推動 4 個 LSTL 負載。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 13 P1 P1 口 (P1.0P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口 (準雙向并行 I/O 口 )，其輸出可 以推動 4 個 LSTTL 負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。 P3 P3 口 (P3.0P3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口 (準雙向并行 I/O 口 )，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下： P3.0 RXD 串行通信輸入 P3.1 TXD 串行通信輸出 圖 3-2 只讀程序存儲 圖 3-3 外部數(shù)據(jù)存儲器 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 14 圖 3-4 內(nèi)部低 128 個字節(jié)地址 RAM 空間 P3.2 INT0 外部中斷 0 輸入，低電平有效 P3.3 INT1 外部中斷 1 輸入，低電平有效 P3.4 T0 計數(shù)器 0 外部事件計數(shù)輸入端 P3.5 T1 計數(shù)器 1 外部事件計數(shù)輸入端 P3.6 WR 外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效 P3.7 RD 外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效 2 AT89C51 內(nèi)存空間 1）、 內(nèi)部程序存儲器（ FLASH） 4K 字節(jié)。 2）、外部程序存儲器（ ROM） 64K 字節(jié)。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 15 圖 3-5 內(nèi)部高 128 個字節(jié)地址空間的特殊功能寄存器區(qū) 圖 3-6 特殊功能寄存器位地址空間 3）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 256 字節(jié)。 4）、外部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 64K 字節(jié)。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 16 3 AT89C51 復位后內(nèi)部各寄存器的數(shù)據(jù)值 如圖 3 7 示： 圖 3-7 復位后內(nèi)部各寄存器的數(shù)據(jù)值 4 AT89C51 各中斷源向量地址 如圖 3 8 所示： 圖 3-8 各中斷源向量地址 5 主要特殊功能寄存器說明 PSW（ Program Status Word）程序狀態(tài)字 位地址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符號 CY AC F0 RS1 RS0 DV - P （ PSW.7） ：高位進位標志位。常用“ C”表示。 AC（ PSW.6） ：輔助進位木標志。 F0（ PSW.5） ：用戶標志位。 RS1（ PSW.4） ：寄存器組選擇位 1。 RS0（ PSW.3） ：寄存器組選擇位 0。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 17 OV（ PSW.2） ：溢出標志位。 （ PSW.1） ：保留位，無定義。 P（ PSW.0） ：奇偶校驗位，在每一個指令周期中，若累加器（ A）中的“ 1”的位個數(shù)是奇數(shù)個則 P 1，偶數(shù)個則 P 0。 寄存器組的選擇： RS0 RS1 寄存器組 RAM 中的地址 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 2 3 00H07H 08H0FH 10H17H 18H1FH IE 中斷允許寄存器 位地址 AF - AD AC AB AA A9 A8 符號 EA - ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 EA（ IE.7） ： EA 0 時，所有中斷停用（禁止中斷）。 EA 1 時，各中斷的產(chǎn)生由個別的允許位決定。 （ IE.6） ：保留位，無定義。 ET2（ IE.5） ：允許計時器 2 溢出的中斷（ 8052 使用）。 ES（ IE.4） ：允許串行端口的中斷（ ES 1 允許， ES 0 禁止）。 ET1（ IE.3） ：允許計時器 1 中斷（ ET1 1 允許， ET1 0 禁止）。 EX1（ IE.2） ：允許外部中斷 INT1 的中斷（ EX1 1 允許， EX1 0 禁濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 18 止）。 ET0（ IE.1） ：允許計時器 0 中斷（ ET0 1 允許， ET0 0 禁止）。 EX0（ IE.0） ：允許外部中斷 INT0 的中斷（ EX0 1 允許， EX0 0 禁止）。 IP 中斷優(yōu)先次序寄存器 位地址 - - BD BC BB BA B9 B8 符號 - - PT2 PS PT1 PX1 PT0 PX0 （ IP.7） ：保留位，無定義。 （ IP.6） ：保留位，無定義。 PT2（ IP.5） ：設定計時器 2 的優(yōu)先次序（ 8052 使用）。 PS（ IP.4） ：設定串行端口的中斷優(yōu)先次序。 PT1（ IP.3） ：設定時計時器 1 的優(yōu)先次序。 PX1（ IP.2） ：設定外部中斷 INT1 的優(yōu)先次序。 PT0（ IP.1） ：設定計時器 0 的優(yōu)先次序。 PX0（ IP.0） ：設定外部中斷 INT0 的優(yōu)先次序。 上述每位 IP.* 1 時，則定義為高優(yōu)先級中斷， IP.* 0 時，則定義為低優(yōu)先級中斷。如果同時 有兩個或兩個以上優(yōu)先級相同的中斷請求時，則由內(nèi)部按查詢優(yōu)先順序來確定該響應的中斷請求，其優(yōu)先順序由高向低順序排列。優(yōu)先順序排列如下： 順序 中斷請求標 中斷源 優(yōu)先圖示 1 2 IE0 TF0 外部中斷 0（ INT0） 定時計數(shù)器 0 溢出中斷最高 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 19 3 4 5 TE1 TF1 RI TI 外部中斷 1（ INT1） 定時計數(shù)器 1 溢出中斷 串行通訊中斷 最低 TMOD 定時 計數(shù)器工作方式控制寄存器 GATE ：當 GATE 1 時， INT0 或 INT1 引腳且為高電平，同時 TCON 中的 TR0 或 TR1 控制位如為 1 時，定時計數(shù)器 0 或 1 才會工作。 若 GATE 0，同時只要 TCON 中的 TR0 或 TR1 控制位如為 1 時，定時計數(shù)器 0 或1 即可工作。 C T ：選擇定時或計數(shù)器模式。當 C T 1 為計數(shù)器，由外部引腳T0 或 T1 輸入計數(shù)脈沖。 C T 0 時為計時器，由內(nèi)部系統(tǒng)時鐘提供計時工作脈沖。 M1 ：方式選擇位 1。 M0 ：方式選擇位 0。 M1、 M2 的操作方式選擇定義如下： TCON 定時計數(shù)器工作方式控制寄存器 TF1（ TCON.7） ：計時器 1 溢出標志，當計時溢出時，由硬件設定為1，在執(zhí)行相對的中斷服務程序后則自動清 0。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 20 TR1（ TCON.6） ：計時器 1 啟動控制位，可以由軟件來設定或清除。TR1 時啟動計時器工作， TRl=0 時關閉。 TF0（ TCON.5） ：計時器 0 溢出標志，當計時溢出時，由硬件設定為1，在執(zhí)行相對的中斷服務程序后則自動清 0。 TR0（ TCON.4） ：計時器 0 啟動控制位，可以由軟件來設定或清除。TR0=1 時，啟動計時器工作， TR0=時關閉。 IE1（ TCON.3） ：外部中斷 1 工作標志，當外部中斷被檢查出來時，硬 件自動設定此位，在執(zhí)行中斷服務程序后，則清 0。 IT1（ TCON.2） ： 外部中斷 1 工作形式選擇， IT1=1 時，由下降緣產(chǎn)生外部中斷， IT1=0 時，則為低電位產(chǎn)生中斷。 IE0（ TCON.1） ：外部中斷 0 工作標志，當外部中斷被檢查出來時，硬件自動設定此位，在執(zhí)行中斷服務程序后，則清 0。 IT0（ TCON.0） ：外部中斷 0 工作形式選擇， IT1=1 時，由下降緣產(chǎn)生外部中斷， IT1=0 時，則為低電位產(chǎn)生中斷。 SCON 定時計數(shù)器工作方式控制寄存器 SM0（ SCON.7） ： 串行通訊工 作方式設定位 0。 SM1（ SCON.6） ：串行通訊工作方式設定位 1。 SM2（ SCON.5） ：允許方式 2 或方式 3 多機通訊控制位。在方式 2 或方式 3 時，如 SM2=1， REN=1，則從機處于只有接收到 RB8=1(地址幀 )才激發(fā)中斷請求標志位 RI=1，向主機請求中斷處理。被確認為尋址的從機復位SM2=0，才能接收 RB8=0 的數(shù)據(jù)幀 ;在方式 1 時，如 SM2=l，則只有在接收濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 21 到有效停止位時才置位中斷請求標志位 RI=1;在方式 0 時， SM2 應為 0。 REN（ SCON.4） ： REN，允許 /禁止串行接收控制 位。由軟件置位 REN=1 為允許串行接收狀態(tài)，可啟動串行接收器 RXD，開始接收信息。軟件復位REN 0，則禁止接收。 TB8（ SCON.3） ：在方式 2 或方式 3，它為要發(fā)送的第 9 位數(shù)據(jù)，按需要由軟件置位或清 0。例如，可用作數(shù)據(jù)的校驗位或多機通訊中表示地址幀 /數(shù)據(jù)幀的標志位。 RB8（ SCON.2） ：在方式 2 或方式 3，是接收到的第 9 位數(shù)據(jù)。在方式 l，若 SM2 0，則 RB8 是接收到的停止位。方式 0 不用 RB8。 TI（ SCON.1） ：發(fā)送中斷請求標志位。在方式 0，當串行發(fā)送數(shù)據(jù)第8 位結(jié)束時，由內(nèi) 部硬件自動置位 TI=l，向主機請求中斷，響應中斷后必須用軟件復位 TI=0。在其他方式中，則在停止位開始發(fā)送時由內(nèi)部硬件置位，必須用軟件復位。 RI（ SCON.0） ：接收中斷請求標志位。在方式 0，當串行接收到第 8 位結(jié)束時由內(nèi)部硬件自動置位 RI=1，向主機請求申斷，響應中斷后必須用軟件復位 RI=0。在其他方式中，串行接收到停止位的中間時刻由內(nèi)部硬件置位 RI 1(例外情況見 SM2 說明 )，必須由軟件復位 RI=0。 其中 SM0、 SM1 按下列組合確定串行通訊的工作方式： PCON 電源控制寄存器 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 22 SMOD ：雙倍波特率控制位。 ：保留。 GF1 ：通用標志。 GF0 ：通用標志。 PD ： PD 1 時，進入掉電方式。 IDL ： IDL 1 時，進入凍結(jié)方式。 二 氣敏傳感器 隨著人們生活水平的提高和對環(huán)保的日益重視 , 對各種有毒、有害氣體的探測 , 對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提出了更高的要求 , 作為感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。 自上世紀 60 年代以來 , 金屬氧化物半導體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應迅速等優(yōu)點占據(jù)氣體傳感器的半壁江山。最初的氣體傳感器 主要采用 SnO2 、 ZnO為氣敏材料 , 近些年又研究開發(fā)了一些新型材料 , 如表11 所示。這其中除了少量單一金屬氧化物材料 , 如 WO3 、 In2O3 、 TiO2 、Al2O3 等外 , 開發(fā)的熱點主要集中在復合金屬氧化物和混合金屬氧化物。金屬氧化物半導體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩種。 電阻式金屬氧化物半導體傳感器 SnO2 、 ZnO 是電阻式金屬氧化物半導體傳感器氣敏材料的典型代表 , 它們兼有吸附和催化雙重效應 , 屬于表面控制型 , 但該類半導體傳感器的濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 23 使用溫度較高 ,大約 200 500 。為了 進一步提高它們的靈敏度 , 降低工作溫度 , 通常向母料中添加一些貴金屬 ( 如 Ag、 Au、 Pt 等 ) , 激活劑及粘接劑 Al2O3 、 SiO2 、 ZrO2 等 。例如對于含量在 1 10 - 5 數(shù)量級的 H2S 氣體 , 添加 1 %ZrO2 的 ZrO2 - SnO2 氣體傳感器與未添加 ZrO2 的元件相比 , 靈敏度增加約 50 倍左右 ; 在 SnO2 中添加 Pt 能明顯提高響應時間。采用粉末濺射技術制備的表面層摻雜 SnO/ SnO2 : Pt 雙層膜材料氣敏傳感器用來檢測 CO 的濃度 , 發(fā)現(xiàn)可降低工作溫度 , 在室溫 200 內(nèi)均顯示出較高的靈敏度。通過添加不同的添加劑還能改善氣體傳感器的選擇性 , 在 ZnO 中添加 Ag 能提高對可燃性氣體的靈敏度 , 加入 V2O5 能使其對氟里昂更加敏感 , 加入 Ga2O3 能提高對烷烴的靈敏度。 Fe2O3 系也屬于該類氣體傳感器 , 用溶膠凝膠法和化學氣相沉積法合成納米 Fe2O3 對 CH4 、 H2 、C2H5OH 有很好的敏感性 ; 向 Fe2O3 中加入少量 SO2 -4 及四價金屬離子如Sn4 + , 由于抑制其晶粒生長而提高靈敏度。近年來采用薄膜技術和集成電路技術把加熱元件、溫度傳感器、叉指電 極、氣體敏感膜集成在硅襯底上制成的傳感器 , 不僅靈敏度比常規(guī)多晶膜傳感器高得多 , 并且結(jié)構(gòu)簡單、制作方便 , 還可以根據(jù)被測氣體選擇不同的敏感膜 , 使得該類傳感器成為很有發(fā)展前景的新型半導體氣體傳感器。但電阻式半導體氣體傳感器的氣敏元件一般暴露在大氣中及加熱元件的電壓值決定了氣敏元件的工作溫度 , 如何消除濕度和溫度等環(huán)境因素對測量的影響還未得到很好的解決。 SnO2 、 ZnO、 Fe2O3 為基質(zhì)的半導體氣敏材料仍然是目前市場的主流 , 但這類材料的納米化、薄膜化已漸成趨勢。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 24 非電阻式金屬 氧化物半導體氣體傳感器 非電阻式金屬氧化物半導體氣體傳感器主要包括 MOS 場效應管型氣體傳感器和二極管型氣體傳感器等。氫氣敏 Pd 柵 MOSEFT 是最早研制成功的催化金屬柵場效應氣體傳感器 , 當氫氣與 Pd 發(fā)生作用時 , 場效應管的閾值電壓將隨氫氣濃度而變化 , 以此來檢測氫氣。這種結(jié)構(gòu)的氣體傳感器對氫氣的靈敏度可達 ppm 級 , 而且選擇性非常好 , 但長期穩(wěn)定性問題目前尚未得到很好解決。 A. Fuchs 等人用帶有 KI 敏感膜的場效應管氣體傳感器很好地實現(xiàn)了 O3 的檢測 , 在 20 80 ppb 濃度分辨率很高 。將 MOSFET 的金屬柵極去掉 , 采用 La017Sr013FeO3 納米薄膜作柵極制作了微米尺寸、室溫工作的 OSFET 式氣體傳感器成功實現(xiàn)了對乙醇氣體的檢測。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 25 第四章 瓦斯探測器 硬件的設計與 實現(xiàn) 一 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)由單片機，瓦斯氣體檢測電路， LED 報警燈，蜂鳴報警，及晶震電路組成。如圖 4-1所示，單片機選用 AT89C51， LED 燈由一個紅燈一個綠燈組成，正常工作時，綠燈亮，表示系統(tǒng)開機且正常工作；當空氣中的瓦斯氣體濃度到達危險值時，檢測電路向單片機發(fā)送信號，單片機控制 LED 紅燈亮，同時控制蜂鳴電路工作，以此來確保井下人員能立即得到警報 圖 4-1 硬件電路示意圖 AT89C51 單片機 時鐘電路 瓦斯檢測 選 擇開關 LED 報警燈 蜂鳴報警 電源 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 26 二 單片機電路 單片機電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機選用 Atmel 公司的 AT89C51，其引腳分配如圖 3-1 所示。 在 XTAL1 和 XTAL2 端外接時英晶體作定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘， 上電復位電路（ 9 腳）， 瓦斯檢測電路 信號從 P2.1 輸入，作為 AT89C51的兩個中斷觸發(fā)信號，下降沿觸發(fā)方式。由 P3.0 和 P3.1 發(fā)送信號控制 LED 燈顯示的 綠燈和紅燈；報警信號從 P3.2輸出。 三 瓦斯檢測電路的 設計 瓦斯檢測采用氣敏傳感器作為檢測元件，其體電阻隨可燃性氣體或煙霧濃度的改變而改變。電路圖如圖 4-2 所示。平時，可燃性氣體或煙霧濃度在允許范圍內(nèi)，氣敏傳感器 A、 B 間電阻值較大，從 B端輸出低電平。當可燃性氣體或煙霧濃度達到一定值后，氣敏傳感器 A、 B 間電阻值迅速減小，從 B 端輸出高電平。 AT89C51單片機從輸人端口來檢測是否漏氣并作相應的處理，即作報警處理。 圖 4-2 瓦斯檢測傳感器電路 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 27 四 LED 燈顯示的 設計 顯示部分采用兩個 LED，如 圖 4-3，工作正常時，控制綠燈（ D1）亮，當探測器檢測到瓦斯氣體濃度超過正常值時，發(fā)送信號，控制紅燈 (D2)亮。 圖 4-3 LED 指示燈電路 五 蜂鳴器 的 設計 蜂鳴器的設計主要是考慮當報警時確保井下人員能及時得知，未看到紅燈時能聽到聲音。在正常時，蜂鳴器不工作，當瓦斯?jié)舛瘸^臨界值時，蜂鳴器開始發(fā)出的鳴叫，以保證井下人員及時得到報警信息。 圖 4-4 蜂鳴器電路 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 28 六 時鐘電路的 設計 圖 4-5 時鐘電路 采用內(nèi)部方式如上圖 4-5，在 XTAL1 和 XTAL2 端外接時英晶體作定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。 對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性，如果振蕩器已起振，則在 XTAL2 引腳上輸出 3V 左右的正弦波 .振蕩頻率 fosc 取決于晶振的頻率 .我們采用晶振頻率為 l 2 MHz。電容 C01 和 C02 主要作用是幫助起振 (諧振 )，其值的大小對振蕩頻率也有影響 .因此常用調(diào)節(jié) C01 和 C02的容量大小 對頻率進行微調(diào)，電容容量一般在 20 一 100 pF 之間選擇，當時鐘頻率為 12 MHz時典型值為 30 pF. 七 復位電路 的 設計 這里我們采用單片機按鍵復位電路。 該電路除具有上電復位功能外，若要復位，只需按圖 4-6 中的 RESET鍵，此時電源 VCC經(jīng)電阻 R1、 R2分壓，在 RESET端產(chǎn)生一個復位高電平。單片機復位期間不產(chǎn)生 ALE和 PSEN信號，即 ALE=1 和 PSEN=1。這表明單片機復位期間不會有任何取指操作。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 29 圖 4-6 單片機按鍵復位電路 M C S - 51V C CV C CR E S E TV S S2 2 F1 k M C S - 51V C CV C CR E S E TV S S2 2 FR E S E TR1R2( a ) ( b )2 0 0 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 30 第五章 系統(tǒng) 的 軟件設計 一 設計要求 軟件總體 設計時，首先應對中斷作出安排， AT89C51具有兩種中斷方式：時鐘中斷和外部中斷。本儀器對瓦斯氣體的采樣周期為 2s， CPU 采用詢問方式處理。 井下環(huán)境復雜，對井下瓦斯?jié)舛葴蚀_預測十分困難，容易發(fā)生誤判，所以設備的靈敏度和報警的準確度十分關鍵。為方便控制，設計了兩個開關，每個開關四種選擇，對應于 I/0 口 P1.6 P1.7、 P1.4 P1.5。分別用來調(diào)節(jié)采樣的時間的長短和報警的門閾值的高低。通過一段時間的抽樣結(jié)果可更準確測定瓦斯?jié)舛?。報警門閾值的選擇可控制報警的級別。通 過兩個開關的調(diào)節(jié)，給使用人員帶來更大方便。 軟件流程圖如 5-1所示，設計要求如下： 1、查詢抽樣時間設置開關，設置抽樣時間； 2、查詢報警閾值設置開關，設置相應的報警閾值； 3、機器開始計數(shù)，按采樣時間設置值進行，并計算出單位時間瓦斯?jié)舛瘸闃又党瑯舜螖?shù) rate(計數(shù)秒 )。 4、比較 rate 與 state 大小，當 rate state時發(fā)出警報信號，直到 rate state 1時撤銷報警信號。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 31 二 單片機的工作過程 假設機器碼 74H、 E0H 已存在 0000H開始的單元中，則此表示 把 E0H 這個值送入 A 累加器。下面我們來說明單片機的工作過程。 接通電源開機后， PC =0000H，取指令過程如下： 1、機中的 0000H 送到片內(nèi)的地址寄存器； 2、 PC的內(nèi)容自動加 1 變?yōu)?0001H，指向下一個指令字 3、地址寄存器中的內(nèi)容 0000H 通過地址總線送到存儲器，經(jīng)存儲器中的地址譯碼選中 0000H 單元； 4、 CPU 通過控制總線發(fā)出讀命令； 5、被選中單元的內(nèi)容 74H送內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，該內(nèi)容過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到單片機內(nèi)部的指令寄存器。到此，取指令過程結(jié)束 ，進入執(zhí)行指令過程。執(zhí)行指令的過程： 1、指令寄存器中的內(nèi)容經(jīng)指令譯碼器譯碼后，說明這條指令是取數(shù)命令，即把一個立即數(shù)送 A中； 2、 PC的內(nèi)容為 0001H，送地址寄存器，譯碼后選中 0001H單元，同時 PC的內(nèi)容自動加 1變?yōu)?0002H； 3、 CPU 同樣通過控制總線發(fā)出讀命令； 4、 0001H單元的內(nèi)容 E0H讀出經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至 A。 至此，本指令執(zhí)行結(jié)束。 PC=0002H，機器又進入下一條指令的取指令過程。機器一直重復上述過程直到程序中的所有指令執(zhí)行完畢，這就 是單片機的基本工作過程。 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 32 三 軟件流程和源程序 編寫的部分 C 程序如下 : #include #define unit unsigned int #define uchar unsigned char uchar bdata FLAG; sbit FLAG1=FLAG1; sbit FLAG2=FLAG2; sbit P1_1=P11; sbit P3_2=P32; sbit P3_0=P30; uchar data time,Dtime,Btime; unit fetch_rate(void); main() char bdata JFLAG; unit data state,Astate,rate; do P1=0xFF; FLAG=P1; TXD=1; P3_2=1； P3_0=0; 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 33 (1) NO YES YES NO YES 返回（ 1） 圖 5-1 軟件流程圖 初始化 輸入 P1 到標志 FLAG FLAG7、 6 決定采樣時間 time Time=2 Time=4 Time=6 Time=8 State=2 State=4 State=8 State=6 FLAG5、 4 決定報警狀態(tài) state 在 time 時間采樣計數(shù) 現(xiàn)時計數(shù)率 rate=count/time 報警 取計數(shù)率 rate Astate=sate-1 撤報警 rate 大于等于 state? rate 大于等于 state? 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 34 JFLAG=FLAG6;JFLAG=JFLAG&0x03; swich(JFLAG) /*采樣時間設定 */ case 0: time=2;Dtime=20;break; case 1: time=4;Dtime=40;break; case 2: time=6;Dtime=60;break; case 3: time=8;Dtime=80;break; Btime=Dtime; JFLAG=FLAG4;JFLAG=JFLAG&0x03; swich(JFLAG) /*門閾值數(shù)設定 */ case 0: state=2;break; case 1: state=4;break; case 2: state=6;break; case 3: state=8;break; 濰坊學院本科畢業(yè)設計正文 35 FLAG1=0; TM0D=0x01; TH0=0x3C;TL0=0xB0; TR0=1;ET0=1;EA=1; rate=fetch_rate(); Astate=state-1; if(rate=state) TXD=0;P3_2=0;P3_0=1 /*設置報警 */ do rate=fetch_rate(); while(rate=Bstate); TXD=1;P3_2=1;P3_0=0 /*撤報警 */ while(1); usigned int fetch_rate()/*計算 rate*/ unit count 0; dowhile(!FLAG1); Dtime=Btime