1礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)-副本講解

1、目次 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 綜合課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說明書 班 級(jí)：11 表 學(xué) 號(hào)： 2011140402 姓 名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)院 2015年 01月 07 日 目次 電氣工程學(xué)院綜合課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 設(shè)計(jì)題目 礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng) 姓名 班級(jí) 答辯小組成員（ 龔瑞昆（教授） 職稱）： 、張湧濤（教授）、趙延軍（副教授） 說明書主要內(nèi)容：隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但 是仍然有許多采礦企業(yè)的機(jī)械化程度低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采礦的工作人員的生命安全造成潛在 的威脅，特別是針對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè)和報(bào)警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的 特大事故依然很多。為避免人為因素造成

2、爆炸事故的發(fā)生，開發(fā)研制出自動(dòng)監(jiān)控瓦斯 氣體的報(bào)警器。 本課題設(shè)計(jì)的是用單片機(jī)控制瓦斯?jié)舛葓?bào)警監(jiān)控儀，綜合運(yùn)用瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè) 方法、信號(hào)采集與傳輸原理、 8031 單片機(jī)及外圍設(shè)備設(shè)計(jì)礦井瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警 系統(tǒng)。其中 8031 單片機(jī)為核心，通過氣體傳感器檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，?jīng)由 AD 轉(zhuǎn)換送人單 片機(jī)，并且實(shí)時(shí)顯示瓦斯?jié)舛取Ｍㄟ^對(duì)瓦斯?jié)舛仍O(shè)定，當(dāng)?shù)V井中的瓦斯氣體濃度達(dá)到 一定數(shù)值的時(shí)候及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。 評(píng)定成績(jī)： 答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 - II - 目次 目次 引 言 1 1 文獻(xiàn)綜述 2 1.1 本課題的研究背景及意義 2. 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向 3. 2 總體設(shè)計(jì)方案

3、 4. 2.1 系統(tǒng)概述 4. 2.2 系統(tǒng)框圖 4. 2.3 工作原理 5. 3 具體實(shí)施方案 6. 3.1 瓦斯氣體檢測(cè)電路 6. 3.2 中心控制模塊 7. 3.2.1 8031 引腳功能 8. 3.2.2 8031 程序存儲(chǔ)器 9. 3.2.3 8031 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 1.0 3.3 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換 1.1. 3.4 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的顯示 1.3. 3.5 數(shù)據(jù)通信 1.6. 3.5 報(bào)警電路 1.7. 3.6 看門狗 1.7. 參考文獻(xiàn) 1.9. - III - 引言 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 引言 能源工業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。近年來，隨著石油價(jià)格的飆升，煤炭行業(yè) 的重要地位

4、和不可替代性也日益顯現(xiàn)。然而，中國(guó)煤炭行業(yè)的安全形勢(shì)卻不容樂觀， 尤其是重、特大煤礦事故屢見報(bào)端。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的需求量大大增加， 刺激了煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是由于井下環(huán)境惡劣，近年來，我國(guó)煤礦瓦斯爆炸事件頻 繁發(fā)生，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)百萬(wàn)名礦 工的生命安全，給人民生活和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大影響。在這些事故中，瓦斯爆炸 占絕大多數(shù)。這其中，固然有很多誘發(fā)因素，但是煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備不完 備、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。 目前，我國(guó)所有煤礦均為瓦斯礦井。瓦斯災(zāi)害已成為制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)和 煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素。這從一個(gè)側(cè)面告訴人

5、們，在我國(guó)，只要控制住瓦斯，就可 有效減少煤礦事故。 多年來的實(shí)踐證明，煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是控制瓦斯事故的重要管理工 具，它不僅能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)甲烷含量 , 當(dāng)被測(cè)氣體中甲烷濃度超過預(yù)定數(shù)值時(shí) , 自動(dòng)發(fā) 出報(bào)警，提醒井下人員立刻離開。使煤礦采取有針對(duì)性的防范措施，還可立即切斷危 險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的電源，避免事故發(fā)生。近年來，國(guó)有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之 一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。 所以，設(shè)計(jì)開發(fā)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常有必要的，它能在瓦斯超限時(shí)或在 礦井中缺少氧氣并低于報(bào)警限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并且可以遠(yuǎn)程顯示，告知井下瓦斯和 氧氣超限的實(shí)際情況，使

6、安全局主要負(fù)責(zé)人對(duì)礦主、安檢員、某些礦的負(fù)責(zé)人進(jìn)行監(jiān) 管，督促他們認(rèn)真貫徹煤礦安全規(guī)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)管功能，進(jìn)而更好的促進(jìn)工業(yè)的發(fā) 展。 1 文獻(xiàn)綜述 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 1 文獻(xiàn)綜述 1.1本課題的研究背景及意義 本課題的研究背景及意義從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃均可看 出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍將是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源。煤炭生產(chǎn) 作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱 , 其地位將是長(zhǎng)期的，穩(wěn)定的。但是，目前煤 炭工業(yè)的安全 生產(chǎn)狀況卻很差，其中之一便是有害氣體的危害性，包括CH4，瓦斯， SO2 等。 瓦 斯(CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過程中形成并大

7、量貯存于煤層之中 的氣體，無(wú)色、無(wú)味，有易燃、易爆等特點(diǎn)。瓦斯的危害主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：第 一、瓦斯?jié)舛冗^高，對(duì)工人身體健康造成 傷害，表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等； 第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群 傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國(guó) 家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。第三、大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。 目前我國(guó)已經(jīng)使用的瓦斯報(bào)警礦燈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方 便等優(yōu)點(diǎn)， 但存在的問題是傳感器漂移大，要定期維護(hù)，并且需要維護(hù)的周期很短；維護(hù)方法復(fù) 雜，成本較高，抗機(jī)械干擾能力較差。為了解決這些問題，本課題在分

8、析模擬式瓦斯 報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用 51 單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、 數(shù)據(jù)處理，對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)自校零、非線性補(bǔ)償，對(duì)提高瓦斯檢測(cè)的可靠性和 系統(tǒng)的性價(jià)比具有十分重要的意義。 1 文獻(xiàn)綜述 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向 儀器不斷更新。其類型根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象可分為可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀，毒性氣體監(jiān)測(cè)儀 和氧氣監(jiān)測(cè)儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式，便攜式和固定式。袖珍式儀器的 采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為 泵吸式，用于監(jiān)測(cè)人員定期安檢；固定式儀器用于煤礦井下固定地點(diǎn)氣體監(jiān)測(cè)。 世界各國(guó)均有煤礦瓦斯

9、氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的 DAN640、0 法國(guó)的 TF200、德 國(guó)的 MINOS和英國(guó)的 Senturion-200 等，其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn) 品有美國(guó)公司生產(chǎn)的 MSN系統(tǒng)，德國(guó) BEBRO公司的 PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只 是基于井下監(jiān)測(cè)，并無(wú)數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。 國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)雖然高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限 性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過高等。因此，除在傳感器技術(shù)方面可供 借鑒外，其它僅具一定的參考價(jià)值。 我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚， 80 年代初，從波蘭、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等 引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝備了部

10、分煤礦在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我 國(guó)煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國(guó)內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所 研制出 KJ2、 KJ4、 KJ8、 KJ10、 KJ13、 KJ19、 KJ38、 KJ66、 KJ75、 KJ80、 KJ92、 KJ95、 KJ101 等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國(guó)煤礦己有大量使用，但其中很大一部 分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干 擾, 造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。 2 總體設(shè)計(jì)方案 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 2.1 系統(tǒng)概述 隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，

11、利用單片機(jī)及其它外圍芯 片實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的監(jiān)測(cè)成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢(shì)。它具有體積小、操作簡(jiǎn) 單、安裝方便、功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。因 此此次設(shè)計(jì)整體上是基于單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警。我設(shè)計(jì)的是基于單片 機(jī)的井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè) MQ-5傳感器，該系統(tǒng)以單片機(jī) 8031 為核心，包含甲烷濃度采 樣器、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、 AD轉(zhuǎn)換、看門狗、數(shù)據(jù)輸出、拓展借口、 LCD顯示器和報(bào)警裝 置等組成。該傳感器可以有效的監(jiān)測(cè)井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。監(jiān)測(cè) 到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可 以立即發(fā)出聲光報(bào)警，提醒

12、生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。 該系統(tǒng)可有效的降低瓦斯事故發(fā)生率，結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的性價(jià) 比，單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電子硬件設(shè)計(jì)的“軟件化”，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和 抗干擾能力，非常實(shí)用于各種大小煤礦井下瓦斯的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用， 可靠性高。 2.2 系統(tǒng)框圖 下： 圖 1 系統(tǒng)框圖 此次設(shè)計(jì)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)是由氣體傳感器、 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、 8031 單片機(jī)、外 部程序存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 LCD 顯示電路、報(bào)警等電路構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 2 總體設(shè)計(jì)方案 2.3 工作原理 該系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過控制瓦斯氣體傳感器對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)

13、，輸出 與瓦斯?jié)舛认鄬?duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，送至 AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換， AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后送人 8031 單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采樣的值進(jìn)行計(jì)算、處理、與預(yù)先 在單片機(jī)中設(shè)置的報(bào)警數(shù)值相比較，若被測(cè)氣體中瓦斯?jié)舛瘸^報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值 時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，工作人員即可采取相關(guān)措施，以防發(fā)生瓦斯爆 炸等相關(guān)危險(xiǎn)。 3 具體實(shí)施方案 圖 2 MQ-5 結(jié)構(gòu)圖 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 3.1 瓦斯氣體檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì)中，主要檢測(cè)的氣體為瓦斯氣體的濃度，并且瓦斯爆炸濃度范圍為 5%- 16%，MQ-5測(cè)量的濃度范圍是 2%-50%，所以選取 MQ-5

14、氣體傳感器可以很好的檢測(cè)出 氣體的濃度。 MQ-5 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧 化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)?體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì) 應(yīng)的輸出信號(hào)。 MQ-5 氣體傳感器對(duì)丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高，對(duì)乙醇煙霧基本不響應(yīng)，對(duì) 甲烷和丙烷可較好的兼顧。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，特別是天然氣，并且 有快速的恢復(fù)響應(yīng)、長(zhǎng)期的使用壽命、可靠的穩(wěn)定性、測(cè)試電路簡(jiǎn)單等特性，是一款 適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 MQ-5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 2 所示, 由微型 AL

15、2O3陶瓷管、 SnO2敏感層, 測(cè) 量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元 件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個(gè)用于信號(hào)取 出，個(gè)用于提供加熱電流。 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 由于 MQ-5 傳感器對(duì)不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此在使用此 類傳感器時(shí)，靈敏度的調(diào)整很重要，對(duì)于此款傳感器可以選用 1000ppm異丁烷或氫氣 來校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)的電路圖如下： 圖3 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路 3.2 中心控制模塊 款被淘汰的單片機(jī)，但 本次設(shè)計(jì)所選用的控制芯片為 8031 單片機(jī)，盡管這是 是對(duì)其外部拓展的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

16、也是有一定意義的。 8031 單片機(jī)引腳圖如下： 圖 4 8031 單片機(jī) 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 3.2.1 8031 引腳功能 （1）主電源引腳 Vss 和 Vcc Vss 接地 Vcc 正常操作時(shí)為 +5 伏電源 （ 2）外接晶振引腳 XTAL1和 XTAL2 XTAL1 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用 外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 XTAL2 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外 部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。 （3）控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST/VPD，ALE/, 和/Vpp RST/VPD 當(dāng)振蕩器

17、運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到 高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位 在 Vcc 掉電期間，此引腳可接上備用電源，由 VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持 內(nèi)部 RAM中的數(shù)據(jù)。 ALE/PROG引: 腳 30, 地址鎖存有效信號(hào)，其主要作用是提供一個(gè)適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)信 號(hào)，在它的下降沿用于外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存貯器的低 8 位地址鎖存，使總線 P0輸出/ 輸入口分時(shí)用作地址總線（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線 , 此信號(hào)每個(gè)機(jī)器出現(xiàn) 2 次, 只是在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間才不輸出 ALE。所以，在任何不使用外部數(shù)據(jù)存貯器 的系統(tǒng)中， ALE以 1/6 振蕩頻率的固定速率 輸出，因而它能用作外部時(shí)鐘

18、或定時(shí)。 RST/VpD: 引腳 9，復(fù)位輸入信號(hào)，振蕩器工作時(shí)，該引腳上 2 個(gè)機(jī)器周期的 高電平可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 /Vpp 、 /Vpp 為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng) /Vpp 為高電平 時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng) /Vpp 為低電平時(shí)，則訪問外部程序存儲(chǔ)器。 P0.0 P0.7: 通道 0，它是 8 位漏極開路的雙向 I/O 通道，當(dāng)擴(kuò)展外部存貯器 時(shí)，這也是低八位地址和數(shù)據(jù)總線，在編程校驗(yàn)期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道 0吸收/發(fā)出二個(gè) TTL負(fù)載。 P1.0P1.7: 通道 1是 8 位擬雙向 I/O 通道，在編程和校 驗(yàn)時(shí)，它發(fā)出低 8位地址。通道 1吸收/發(fā)出一

19、個(gè) TTL負(fù)載。P2.0P2.7: 通道 2是 8 位擬雙向 I/O 通道，當(dāng)訪問外部存貯器時(shí)，用作高 8 位地址總線。通道 2 能吸收/ 發(fā) 出一個(gè) TTL負(fù)載。P3.0P3.7: 通道 3 準(zhǔn)雙向 I/O 通道。通道 3能吸收/發(fā)出一個(gè) TTL 負(fù)載， P3通道的每一根線還有另一種功能： P3.0:RXD，串行輸入口。 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 P3.1:TXD，串行輸出口。 P3.2:INT0 ，外部中斷 0 輸入口。 P3.3:INT1 ，外部中斷 1 輸入口。 P3.4:T0 ，定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 0外部事件脈沖輸入端 P3.5:T1 ，定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 1

20、外部事件脈沖輸入端 P3.6:WR，外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖。 P3.7:RD，外部數(shù)據(jù)存貯器讀脈沖。 3.2.2 8031 程序存儲(chǔ)器 時(shí)， Vpp=Vcc=+5V, PGM=+5。V 編程時(shí)， 50ms的負(fù)脈沖。其引腳圖如下： Vpp +25V（高壓）， PGM端加入寬度為 由于 8031 單片機(jī)片內(nèi)不含程序存儲(chǔ)器，必須添用片外程序存儲(chǔ)器，再用到地址 鎖存器，才能構(gòu)成一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)。因此嚴(yán)格說，它稱不上是“單片”機(jī)。 8031 本身、片外程序存儲(chǔ)器與地址鎖存器組成一個(gè)真正可用的、未曾拓展的最小系統(tǒng)。本 次設(shè)計(jì)所用的片外程序存儲(chǔ)器為 2764，2764是 8K*8 字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只

21、 讀存儲(chǔ)器，單一 +5V 供電，工作電流為 75mA，維持電流為 35mA，讀出時(shí)間最大為 250nS，28 腳雙列直插式封裝外部程序存儲(chǔ)器。它的各引腳的含義為： A0-A12 為 13 根地址線，可尋址 8K字節(jié)； O0-O7為數(shù)據(jù)輸出線； CE為片選線； OE為數(shù)據(jù)輸出選通 線； PGM為編程脈沖輸入端； Vpp 是編程電源； Vcc 是主電源。正常工作（只讀） 圖 5 2764 3 具體實(shí)施方案 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 這是一塊 8K8bit 的 EPROM芯片，它的引線與 SRAM芯片 6264 是兼容的。這給 使用者帶來很大方便。因?yàn)樵谲浖{(diào)試過程中，程序經(jīng)常需要修改，此時(shí)可

22、將程序先 放在 6264 中，讀寫修改都很方便。調(diào)試成功后，將程序固化在 2764 中，由于它 與 6264 的引腳兼容，所以可以把 2764 直接插在原 6264 的插座上。這樣，程序就 不會(huì)由于斷電而丟失。 下面介紹 2764 各引腳的含義 : A0一 A12： 13根地址輸入線。用于尋址片內(nèi)的 8K個(gè)存儲(chǔ)單元。 D0 D7：8 根雙向數(shù)據(jù)線，正常工作時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線。編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入 線。 OE：輸出允許信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0 時(shí)，芯片中的數(shù)據(jù)可由 D0D7端輸出。 CE：選片信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為 0 時(shí)表示選中此芯片。 PGM編: 程脈沖輸入端。對(duì) EPROM編程時(shí)，在該

23、端加上編程脈沖。讀操作時(shí)該 信號(hào)為 1。 VPP：編程電壓輸入端。編程時(shí)應(yīng)在該端加上編程高電壓，不同的芯片對(duì) VPP的值要求的不一樣，可以是 +12.5V，+15V，+21V，+25V等。 EPROM的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數(shù)超過上萬(wàn)次。一片 新的或擦除干凈 EPROM芯片，其每一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是 FFH。要對(duì)一個(gè)使用過的 EPROM進(jìn)行編程，則首先應(yīng)將其放到專門的擦除器上進(jìn)行擦除操作。擦除器利用紫外 線光照射 EPROM的窗口，一般經(jīng)過 1520min 即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下 EPROM的每個(gè)單元，若其內(nèi)容均為 FFH，就認(rèn)為擦除干凈了。 3.2.3 80

24、31 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 一片比較復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)然有可能兼有片外 ROM和片外 RAM，8031 片內(nèi) 不含程序存儲(chǔ)器的機(jī)型要拓展片外 RAM也必然既有片外 ROM又, 有片外 RAM。本次設(shè)計(jì) 采用的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 6264。 6264的容量為 8KB，是 28引腳雙列直插式芯片， 采用 CMOS工藝制造。其各引腳功能為 A12A0(address inputs )：地址線，可尋 址8KB的存儲(chǔ)空間。 D7D0(data bus )：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。 OE(output enable )：讀出允許信號(hào)，輸入，低電平有效。 WE(write enable )：寫允許信號(hào)， 輸入，低電平有

25、效。 CE1(chip enable )：片選信號(hào) 1，輸入，在讀 / 寫方式時(shí)為低電 - 10 - 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 平。CE2(chip enable )：片選信號(hào) 2，輸入，在讀 /寫方式時(shí)為高電平。 VCC：+5V 工作電壓。 GND：信號(hào)地。 6264的操作方式由 OE,WE, CE1 , CE2 的共同作用決定 寫入：當(dāng) WE和 CE1 為低電平，且 OE和 CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打 開，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線 D7D0寫入被選中的存儲(chǔ)單元。 讀出：當(dāng) OE和 CE1 為低電平，且 WE和 CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選 通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到

26、數(shù)據(jù)線 D7 D0 上。 保持：當(dāng) CE1 為高電平， CE2 為任意時(shí)，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數(shù) 據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 8031單片機(jī)最小系統(tǒng)及片外拓展存儲(chǔ)器電路圖如下： 圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)及拓展 由上圖所示，這類的擴(kuò)展電路地址總線和數(shù)據(jù)總線共用，控制線中除了ALE外， 片外 ROM用到 PSEN片, 外 RAM用到了 RD與 WR片; 選的接法則與存儲(chǔ)器芯片地址有關(guān)， 圖中 2764 和 6264 地址都是自 0000H 至 1FFFH,程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址 范圍都是 64K 個(gè)單元，地址都自 0000H 編至 1FFFH，二者完全重疊。由于訪問片外 ROM和片外 RAM

27、所用的控制線不同，且 PSEN與 RD、 WR不會(huì)同時(shí)有效，雖然地址總線 與數(shù)據(jù)總線共用，不會(huì)引起混亂。 3.3 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換 由于傳感器檢測(cè)出的數(shù)據(jù)輸出的是模擬信號(hào)，所以需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能輸入 單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理。 ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式的 A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的 A/D 轉(zhuǎn)換 - 11 - 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百 us）、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被 應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。 它的主要電氣特性如下：工作電壓： 5V，即 VCC 5V。模擬輸入電壓范圍： 0 5V，即 0 Vin 5V。分辨率： 8 位，即分辨

28、率為 1/28=1/256 ，轉(zhuǎn)換值介于 0255 之間。轉(zhuǎn)換時(shí)間： 100us（fCK640KHz 時(shí)）。轉(zhuǎn)換誤差： 1LSB。參考電 壓：2.5V ，即 Vref 2.5V。 以輸出 8 位的 ADC0804動(dòng)作來說明“連續(xù)漸進(jìn)式 A/D轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理，動(dòng)作 步驟如下表示（原則上先從左側(cè)最高位尋找起）。 第一次尋找結(jié)果： 10000000（若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位 1） 第二次尋找結(jié)果： 11000000（若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位 1） 第三次尋找結(jié)果： 11000000（若假設(shè)值 輸入值，則尋找位該假設(shè)位 0） 第四次尋找結(jié)果： 11010000（若假設(shè)值輸入值，則尋找位

29、假設(shè)位 1） 第五次尋找結(jié)果： 11010000（若假設(shè)值 輸入值，則尋找位該假設(shè)位 0） 第六次尋找結(jié)果： 11010100（若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位 1） 第七次尋找結(jié)果： 11010110（若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位 1） 第八次尋找結(jié)果： 11010110（若假設(shè)值 輸入值，則尋找位該假設(shè)位 0） 這樣使用二分法的尋找方式， 8位的A/D轉(zhuǎn)換器只要 8次尋找， 12位的 A/D轉(zhuǎn)換 器只要 12 次尋找，就能完成轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，其中的輸入值代表圖 1 的模擬輸入電壓 Vin。 本次設(shè)計(jì)的 AD轉(zhuǎn)換電路如下： 圖 7 AD 轉(zhuǎn)換電路 - 12 - 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3

30、 具體實(shí)施方案 此次轉(zhuǎn)換電壓為 MQ-5的輸出電壓，并經(jīng)以下 4 個(gè)步驟轉(zhuǎn)換完成： 步驟 S0：CS 0、WR0、RD1（由 CPLD發(fā)出信號(hào)要求 ADC0804開始進(jìn)行模擬 / 數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換）。 步驟 S1：CS1、WR1、RD1（ ADC0804進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作，轉(zhuǎn)換完畢后 INTR將高 電位降至低電位，而轉(zhuǎn)換時(shí)間 100us）。 步驟 S2： CS0、WR 1、 RD 0（由 CPLD發(fā)出信號(hào)以讀取 ADC0804的轉(zhuǎn)換資 料）。 步驟 S3：CS 1、 WR1、RD 1（由 CPLD讀取 DB0 DB7上的數(shù)字轉(zhuǎn)換資料）。 3.4 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的顯示 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)顯示部分是由 74hc

31、595和lcd1602 構(gòu)成的。由于 8031的I/O 口 的限制所以選用了 74hc595實(shí)現(xiàn)串行輸入并行輸出連接 1602以節(jié)約 8031的 I/O 口的 使用。 74HC595是硅結(jié)構(gòu)的 CMOS器件，兼容低電壓 TTL 電路，遵守 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。 74HC595具有 8 位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲(chǔ)器是 分別的時(shí)鐘。數(shù)據(jù)在 SHcp（移位寄存器時(shí)鐘輸入）的上升沿輸入到移位寄存器中， 在 STcp（存儲(chǔ)器時(shí)鐘輸入）的上升沿輸入到存儲(chǔ)寄存器中去。如果兩個(gè)時(shí)鐘連在一 起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入 （Ds），和一個(gè)串行輸

32、出（ Q7） ,和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并 行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能 OE 時(shí)（為低電平），存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸 出到總線。它具有 8 位串行輸入 /8 位串行或并行輸出 存儲(chǔ)狀態(tài)寄存器，三種狀 態(tài)。 1602 是字符型液晶，它是 16*2 的顯示的。 1602 字符型 LCD通常有 14 條引腳線 或 16 條引腳線的 LCD，多出來的 2 條線是背光電源線 602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生 存儲(chǔ)器（ CGROM已）經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、 英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。 1602

33、 的功能引腳圖如下： 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 圖 8 1602 的引腳功能 第 1 腳： VSS為地電源。 第 2腳： VDD接 5V正電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比 度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K 的電位器調(diào)整對(duì)比 度。 第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存 器。 第 5 腳： R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS 和 R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS為低電平 R/W 為高電平時(shí) 可以讀忙信

34、號(hào)，當(dāng) RS為高電平 R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命 令。 第 714腳：D0D7為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳：背光源正極。 第 16 腳：背光源負(fù)極。 1602 的控制命令如下圖： 圖 9 控制命令 1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的 說明： 1為高電平、 0為低電平） - 14 - 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H位置。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。 指令 3 ：光標(biāo)和顯示模式設(shè)

35、置I/D ：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左 移 S: 屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低 電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光 標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光 標(biāo)。 指令 6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為 4 位總線，低電平時(shí)為 8 位總線 N： 低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示 5x7 的點(diǎn)陣字符，高電 平時(shí)顯示 5x10 的點(diǎn)陣字符

36、。 指令 7：字符發(fā)生器 RAM地址設(shè)置。 指令 8：DDRAM 地址設(shè)置 指令 9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能 接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙 指令 10：寫數(shù)據(jù)。 指令 11：讀數(shù)據(jù)。 圖 10 1602 顯示 - 15 - 本次設(shè)計(jì)的顯示部分電路圖如下： 河北聯(lián)合大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書 3 具體實(shí)施方案 要實(shí)現(xiàn) 74hc595驅(qū)動(dòng) 1602顯示一般用有 3 個(gè)步驟： 第一步：目的：將要準(zhǔn)備輸入的位數(shù)據(jù)移入 74HC595數(shù)據(jù)輸入端上。方法：送位 數(shù)據(jù)到 P3.3 。 第二步：目的：將位數(shù)據(jù)逐位移入 74HC595，即數(shù)據(jù)串入。方法： P3.4 產(chǎn)生一上 升沿，經(jīng)過 8次后，將 P3.3 上的數(shù)據(jù)完全移入 74HC595中.從低到高。 第三步：目的：并行輸出數(shù)據(jù)。即數(shù)據(jù)并出。方法： P3.5 產(chǎn)生一上升沿，將由 P 上已移入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送入到輸出鎖存器，進(jìn)而送給 1602 進(jìn)行顯示。 3.5 數(shù)據(jù)通信 本次設(shè)計(jì)的通信所用的芯片為 MAX23，2 MAX232芯片是美信公司專門為電腦的 下： RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 , 使用 +5v 單電源供電。其引腳結(jié)構(gòu)圖如 圖 11 MAX232 其引腳的功能：第一部分是電荷泵電路。由 1、2、3、4、5、 6 腳和 4 只電容構(gòu) 成。功能是產(chǎn)生